JPWO2013046865A1 - Optical element, light source device and projection display device - Google Patents

Optical element, light source device and projection display device Download PDF

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Abstract

本発明は、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もので、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、プラズモン励起層の上に積層され、プラズモン励起層の上に積層され、プラズモン励起層から出射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、プラズモン励起層のキャリア生成層側の面が粗面である。The present invention reduces the etendue of light emitted from an optical element without depending on the etendue of the optical element. The carrier generation layer generates carriers by light, and is laminated on the carrier generation layer. A plasmon excitation layer having a plasma frequency higher than the frequency of the light generated when the generation layer is excited by light from the light emitting element, and the plasmon excitation layer are stacked on the plasmon excitation layer, and are stacked on the plasmon excitation layer. And a surface on the carrier generation layer side of the plasmon excitation layer is a rough surface.

Description

本発明は、光を出射するために表面プラズモン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。   The present invention relates to an optical element, a light source device, and a projection display device that use surface plasmons to emit light.

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。   There has been proposed an LED projector in which a light emitting diode (LED) is used as a light emitting element of a light source device. In this type of LED projector, a light source device having an LED, an illumination optical system into which light from the light source device is incident, a light valve having a liquid crystal display panel into which light from the illumination optical system is incident, and light from the light valve And a projection optical system for projecting onto the projection surface.

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。   In the LED projector, in order to increase the brightness of the projected image, it is required to prevent light loss as much as possible in the optical path from the light source device to the light valve.

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。   In addition, as described in Non-Patent Document 1, there is a restriction due to Etendue determined by the product of the area of the light source device and the radiation angle. That is, if the product value of the light emitting area and the emission angle of the light source device is not less than or equal to the product value of the area of the incident surface of the light valve and the capture angle (solid angle) determined by the F number of the projection lens, the light source The light from the device is not used as projection light.

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。   Therefore, in a light source device having an LED and an optical element on which light from the LED is incident, it is a concern to reduce the above-described light loss by reducing etendue of light emitted from the optical element. Yes.

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。   In a light source device provided in an LED projector, it is indispensable to realize a projection light beam of about several thousand lumens by using a plurality of LEDs in order to make up for a shortage of light quantity of a single LED.

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、ＬＥＤ２０４ａ〜２０４ｆを有する複数の単色光源装置２０３ａ〜２０３ｆと、これら単色光源装置２０３ａ〜２０３ｆからの出射光の光軸を一致させる光軸合わせ部材２０２ａ〜２０２ｄと、これら光軸合わせ部材２０２ａ〜２０２ｄから光が入射する光源セット２０１ａ，２０１ｂと、この光源セット２０１ａ，２０１ｂからの光が入射する導光装置２００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２０３ａ〜２０３ｆからの光が合成されて、光源セット２０１ａ，２０１ｂによって放射角が狭められた光が、導光装置２００に入射されている。この構成では、導光装置２００に入射する光の放射角が、光源セット２０１ａ，２０１ｂ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。   As an example of a light source device using a plurality of LEDs, Patent Document 1 discloses a plurality of single color light source devices 203a to 203f having LEDs 204a to 204f and these single color light source devices 203a to 203f as shown in FIG. Optical axis alignment members 202a to 202d for matching the optical axes of the emitted light from the light sources, light source sets 201a and 201b from which light enters from these optical axis alignment members 202a to 202d, and light from the light source sets 201a and 201b are incident A light source unit including the light guide device 200 is disclosed. In this light source unit, light from a plurality of monochromatic light source devices 203 a to 203 f is combined, and light whose emission angle is narrowed by the light source sets 201 a and 201 b is incident on the light guide device 200. In this configuration, the light loss is reduced by narrowing the radiation angle of the light incident on the light guide device 200 by the light source sets 201a and 201b.

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ＬＥＤ３００が平面上に配列された光源基板３０１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３０４，３０５と、これらプリズムシート３０４，３０５を支持する枠体３０３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ＬＥＤ３００からの光が、２つのプリズムシート３０４，３０５によって合成されている。   As another example of a light source device using a plurality of LEDs, Patent Document 2 discloses a light source device including a light source substrate 301 in which a plurality of LEDs 300 are arranged on a plane as shown in FIG. Yes. This light source device includes an optical element composed of two prism sheets 304 and 305 arranged on one surface with a prism row formed so as to intersect each other and a frame 303 that supports the prism sheets 304 and 305. I have. In this light source device, light from the plurality of LEDs 300 is synthesized by two prism sheets 304 and 305.

特開２００８−１４５５１０号公報JP 2008-145510 A 特開２００９−８７６９５号公報JP 2009-87695 A

ＰｈｌａｔＬｉｇｈｔTM Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｔｔｉｃｅ ＬＥＤｓ ｆｏｒ ＲＰＴＶ Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｈｏｅｐｆｎｅｒ， ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ３７， １８０８ （２００６）PhlatLight ™ Photonic Lattice LEDs for RPTV Light Engineers Christian Hoefner, 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２０２ａ〜２０２ｄのダイクロイック反射面での発光面積が、ＬＥＤ２０４ａ〜２０４ｆ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２００に入射する光のエテンデューと、ＬＥＤ２０４ａ〜２０４ｆ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。   However, in the configuration described in Patent Document 1 described above, the light emission areas on the dichroic reflection surfaces of the optical axis alignment members 202a to 202d are larger than the light emission areas of the LEDs 204a to 204f. For this reason, when the etendue of light incident on the light guide device 200 is compared with the etendue of light from the LEDs 204a to 204f, the etendue does not change as a result.

したがって、特許文献１に記載の構成では、導光装置２００からの出射光のエテンデューが、ＬＥＤ２０４ａ〜２０４ｆのエテンデューに依存しており、導光装置２００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。   Therefore, in the configuration described in Patent Document 1, the etendue of the emitted light from the light guide device 200 depends on the etendue of the LEDs 204a to 204f, and the etendue of the emitted light from the light guide device 200 can be reduced. There wasn't.

また、特許文献２に記載の構成では、複数のＬＥＤ３００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。   Further, in the configuration described in Patent Document 2, since the light emitting area of the entire light source is increased by arranging a plurality of LEDs 300 on a plane, there is a problem in that the etendue of the light source itself increases.

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。   That is, in the configuration disclosed in Patent Documents 1 and 2 described above, the etendue of the light emitted from the light source unit and the light source device depends on the etendue of the light from the LED, and the etendue of the light emitted from the optical element is reduced. It could not be reduced.

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。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the related art and to reduce the etendue of light emitted from the optical element without depending on the etendue of the light emitting element, and a light source device and a projection display device including the same Is to provide.

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、
プラズモン励起層の上に積層され、プラズモン励起層から出射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、
プラズモン励起層のキャリア生成層側の面が粗面である。In order to achieve the above-described object, the optical element according to the present invention includes:
A carrier generation layer in which carriers are generated by light;
A plasmon excitation layer stacked on the carrier generation layer and having a plasma frequency higher than the frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light of the light emitting element;
An emission layer that is laminated on the plasmon excitation layer, converts the light emitted from the plasmon excitation layer or the surface plasmon into light of a predetermined emission angle, and emits the light;
The surface of the plasmon excitation layer on the carrier generation layer side is a rough surface.

また、本発明に係る光源装置は、本発明の光学素子と、導光体と、該導光体の外周部に配置される発光素子と、を備える。   In addition, a light source device according to the present invention includes the optical element of the present invention, a light guide, and a light emitting element disposed on the outer periphery of the light guide.

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、光源装置からの出射光を変調する表示素子と、表示素子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。   A projection display device according to the present invention includes the light source device of the present invention, a display element that modulates light emitted from the light source device, and a projection optical system that projects a projected image by the light emitted from the display element. Prepare.

また、本発明に係る光学素子は、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配置され、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、を備え、プラズモン励起層のキャリア生成層側の面が粗面である。   In addition, the optical element according to the present invention includes a carrier generation layer in which carriers are generated by light and a frequency of light that is disposed on the carrier generation layer and is generated when the carrier generation layer is excited by light from the light emitting element. A surface of the plasmon excitation layer on the carrier generation layer side is a rough surface.

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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the etendue of the emitted light from an optical element can be reduced without depending on the etendue of a light emitting element.

特許文献１の構成を説明するための模式図である。10 is a schematic diagram for explaining a configuration of Patent Document 1. FIG. 特許文献２の構成を説明するための分解斜視図である。It is a disassembled perspective view for demonstrating the structure of patent document 2. FIG. 本発明による光源装置を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the light source device by this invention. 本発明によ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である。It is sectional drawing for demonstrating the behavior of the light in the light source device by this invention. 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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 1st Embodiment is provided. 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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 2nd Embodiment is provided. 図５Ａ中のプラズモン励起層１７とキャリア生成層１６の接合面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the joint surface of the plasmon excitation layer 17 and the carrier production | generation layer 16 in FIG. 5A. 第１の実施形態が備える放射角度に対する規格化光子数を示す図である。It is a figure which shows the normalization photon number with respect to the radiation angle with which 1st Embodiment is provided. 図５Ａ中のプラズモン励起層１７とキャリア生成層１６の接合面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the joint surface of the plasmon excitation layer 17 and the carrier production | generation layer 16 in FIG. 5A. 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment. 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment. 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment. 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment. 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment. 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment. 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating a manufacturing process in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating a manufacturing process in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating a manufacturing process in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating a manufacturing process in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating a manufacturing process in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating the formation process of a photonic crystal in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating the formation process of a photonic crystal in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating the formation process of a photonic crystal in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。It is sectional drawing for demonstrating the formation process of a photonic crystal in the light source device of 2nd Embodiment. 第２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。In the light source device of 2nd Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. 第２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。In the light source device of 2nd Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. 第２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。In the light source device of 2nd Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. 第２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。In the light source device of 2nd Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. 第２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。In the light source device of 2nd Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. 第２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。In the light source device of 2nd Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. 第２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。In the light source device of 2nd Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. 第２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。In the light source device of 2nd Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. 第３の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the light source device of 3rd Embodiment. 第３の実施形態の光源装置における、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。It is sectional drawing for demonstrating the formation process of the micro lens array in the light source device of 3rd Embodiment. 第３の実施形態の光源装置における、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。It is sectional drawing for demonstrating the formation process of the micro lens array in the light source device of 3rd Embodiment. 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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 4th Embodiment is provided. 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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 5th Embodiment is provided. 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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 6th Embodiment is provided. 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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 7th Embodiment is provided. 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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 8th Embodiment is provided. 第９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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 9th Embodiment is provided. 第１０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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 10th Embodiment is provided. 第１１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。In 11th Embodiment, it is a perspective view which shows the structure by which the micro lens array was provided in the surface of the directivity control layer. 第１１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。It is sectional drawing for demonstrating the formation process of a micro lens array in the light source device of 11th Embodiment. 第１１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。It is sectional drawing for demonstrating the formation process of a micro lens array in the light source device of 11th Embodiment. 第１２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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 12th Embodiment is provided. 第１３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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 13th Embodiment is provided. 第１４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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 14th Embodiment is provided. 第１５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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 15th Embodiment is provided. 第１６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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 16th Embodiment is provided. 第１７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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 17th Embodiment is provided. 第１８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。It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 18th Embodiment is provided. 第１９の実施形態の光源装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the light source device of 19th Embodiment. 第１９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。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the half-wave plate for axial symmetry polarization | polarized-light with which the light source device of 19th Embodiment is provided. 第１９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。It is a schematic diagram shown in order to demonstrate the half-wave plate for axial symmetry polarization | polarized-light with which the light source device of 19th Embodiment is provided. 第１９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。It is a schematic diagram shown in order to demonstrate the half-wave plate for axial symmetry polarization | polarized-light with which the light source device of 19th Embodiment is provided. 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。In the light source device of an embodiment, it is a mimetic diagram showing the far field pattern and polarization direction of outgoing light in the case of composition which is not provided with an axisymmetric polarization half wave plate. 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。In the light source device of an embodiment, it is a mimetic diagram showing the far field pattern and polarization direction of outgoing light in the case of the composition provided with the axially symmetric polarization half-wave plate. 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。It is a schematic diagram which shows the LED projector to which the light source device of embodiment is applied. 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。It is a figure for demonstrating the wavelength of the light source used for the LED projector to which the light source device of embodiment is applied, the excitation wavelength of a fluorescent substance, and the light emission wavelength. プラズモン励起層の粗面形状を示す図である。It is a figure which shows the rough surface shape of a plasmon excitation layer. プラズモン励起層の粗面形状を示す図である。It is a figure which shows the rough surface shape of a plasmon excitation layer. プラズモン励起層の粗面形状を示す図である。It is a figure which shows the rough surface shape of a plasmon excitation layer. プラズモン励起層の粗面形状を示す図である。It is a figure which shows the rough surface shape of a plasmon excitation layer. プラズモン励起層の粗面形状を示す図である。It is a figure which shows the rough surface shape of a plasmon excitation layer. プラズモン励起層の粗面形状を示す図である。It is a figure which shows the rough surface shape of a plasmon excitation layer.

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。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１の実施形態）
図３に、本発明による光源装置の模式的な構成の斜視図を示す。図４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。(First embodiment)
FIG. 3 is a perspective view of a schematic configuration of the light source device according to the present invention. FIG. 4 shows a cross-sectional view for explaining the behavior of light in the light source device according to the present invention. In the light source device, the actual thickness of each individual layer is very thin, and the difference in the thickness of each layer is large. Therefore, it is difficult to draw each layer with an accurate scale and ratio. For this reason, in the drawings, the layers are not drawn in actual proportions, and the layers are schematically shown.

図３及び図４に示すように、本実施形態の光源装置２は、複数の発光素子１１（１１ａ〜１１ｎ）と、これら発光素子１１から出射された光が入射する光学素子１とを備えている。光学素子１は、発光素子１１から出射された光が入射する導光体１２と、この導光体１２からの光によって出射光を出射する指向性制御層１３と、を有している。   As shown in FIGS. 3 and 4, the light source device 2 of the present embodiment includes a plurality of light emitting elements 11 (11 a to 11 n) and an optical element 1 on which light emitted from these light emitting elements 11 is incident. Yes. The optical element 1 includes a light guide 12 on which light emitted from the light emitting element 11 enters, and a directivity control layer 13 that emits emitted light by the light from the light guide 12.

指向性制御層１３は、光源装置２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に示す第１の実施形態のように、導光体１２に設けられ、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１６と、このキャリア生成層１６上に積層され、キャリア生成層１６を発光素子１１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、このプラズモン励起層１７上に積層され、プラズモン励起層１７によって生じる表面プラズモンの波数ベクトルを変換して所定の出射角の光を出射する出射層としての波数ベクトル変換層１８と、を備えている。キャリア生成層１６の上面には粗面化処理が施され、キャリア生成層１６上に積層されるプラズモン励起層１７のキャリア生成層１６との接合面は粗面とされる。   The directivity control layer 13 is a layer for enhancing the directivity of the emitted light from the light source device 2, and is provided on the light guide 12 as in the first embodiment shown in FIG. 5A, for example. A carrier generation layer 16 in which carriers are generated by a part of light incident from 12, and a frequency of light that is laminated on the carrier generation layer 16 and is generated when the carrier generation layer 16 is excited by light from the light emitting element 11. A plasmon excitation layer 17 having a higher plasma frequency, and an emission layer that is laminated on the plasmon excitation layer 17 and converts the wave number vector of the surface plasmon generated by the plasmon excitation layer 17 to emit light having a predetermined emission angle. The wave vector conversion layer 18 is provided. The upper surface of the carrier generation layer 16 is subjected to a roughening process, and the bonding surface of the plasmon excitation layer 17 laminated on the carrier generation layer 16 with the carrier generation layer 16 is roughened.

本実施形態における導光体は、キャリア生成層１６において発光素子１１から出射した光を実用上十分に吸収できる場合、発光素子１１から出射した光が指向性制御層１３を損傷させない場合、発光素子１１の発光面上における光強度の均一性が課題とならない場合は不要である。   The light guide in the present embodiment has a light emitting element in which the light emitted from the light emitting element 11 can be sufficiently absorbed in the carrier generation layer 16 when the light emitted from the light emitting element 11 does not damage the directivity control layer 13. 11 is not necessary when the uniformity of the light intensity on the light emitting surface is not a problem.

本実施形態におけるキャリア生成層１６は、プラズモン励起層１７の直下に配置されているが、キャリア生成層１６とプラズモン励起層１７との間に、厚さが後述の式４で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffよりも薄い誘電体層を備えて構成されてもよい。The carrier generation layer 16 in the present embodiment is disposed immediately below the plasmon excitation layer 17, but the thickness of the surface plasmon represented by the following expression 4 is between the carrier generation layer 16 and the plasmon excitation layer 17. It may be configured with a dielectric layer thinner than the effective interaction distance d eff .

本実施形態における波数ベクトル変換層１８は、プラズモン励起層１７の直上に配置されているが、波数ベクトル変換層１８とプラズモン励起層１７との間に、厚さが後述の式４で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffよりも薄い誘電体層を備えて構成されてもよい。The wave vector conversion layer 18 in the present embodiment is disposed immediately above the plasmon excitation layer 17, but the surface between the wave vector conversion layer 18 and the plasmon excitation layer 17 has a thickness represented by Equation 4 described later. A dielectric layer thinner than the effective interaction distance d eff of plasmons may be provided.

また、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１６と波数ベクトル変換層１８に対応している。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１７の導光体１２側に積層された構造全体と導光体１２に接する周囲雰囲気媒質（以下、単に媒質と称する）とを含む入射側部分（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１８側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層１８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の導光体１２側に積層された構造全体には、キャリア生成層１６と導光体１２が含まれる。プラズモン励起層１７の波数ベクトル変換層１８側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層１８が含まれる。   The plasmon excitation layer 17 is sandwiched between two layers having dielectric properties. In the present embodiment, these two layers correspond to the carrier generation layer 16 and the wave vector conversion layer 18. The optical element 1 according to the present embodiment includes the entire structure laminated on the light guide 12 side of the plasmon excitation layer 17 and an ambient atmosphere medium (hereinafter simply referred to as a medium) in contact with the light guide 12. The output side portion including the entire structure in which the effective dielectric constant of the portion (hereinafter simply referred to as the incident side portion) is laminated on the wave vector conversion layer 18 side of the plasmon excitation layer 17 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 18 It is configured so as to be higher than the effective dielectric constant (hereinafter simply referred to as the emission side portion). The entire structure laminated on the light guide 12 side of the plasmon excitation layer 17 includes the carrier generation layer 16 and the light guide 12. The entire structure stacked on the wave vector conversion layer 18 side of the plasmon excitation layer 17 includes the wave vector conversion layer 18.

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、導光体１２、キャリア生成層１６及び媒質と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、波数ベクトル変換層１８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。   That is, in the first embodiment, the effective dielectric constant of the incident side portion including the light guide 12, the carrier generation layer 16, and the medium with respect to the plasmon excitation layer 17 is equal to the wave vector conversion layer 18 with respect to the plasmon excitation layer 17. It is higher than the effective dielectric constant of the exit side portion including the medium.

詳細には、プラズモン励起層１７の入射側部分（発光素子１１側）の実効誘電率が、プラズモン励起層１７の出射側部分（波数ベクトル変換層１８側）の実効誘電率よりも高く設定されている。   Specifically, the effective dielectric constant of the incident side portion (the light emitting element 11 side) of the plasmon excitation layer 17 is set higher than the effective dielectric constant of the emission side portion (the wave vector conversion layer 18 side) of the plasmon excitation layer 17. Yes.

ここで、実効誘電率εeff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（プラズモン励起層１７に凹凸がある場合は、その平均面に垂直な方向）をｚ軸とし、キャリア生成層１６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の実部を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とすれば、Here, the effective dielectric constant ε eff is an x-axis, y-axis direction parallel to the interface of the plasmon excitation layer 17, and a direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer 17 (if the plasmon excitation layer 17 has irregularities, The z axis is the direction perpendicular to the average plane), the angular frequency of light emitted from the carrier generation layer 16 is ω, and the real part of the dielectric constant distribution of the dielectric in the incident side portion and the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 17 is ε. (Ω, x, y, z), where the z component of the wave number of the surface plasmon is k spp, z and the imaginary unit is j,

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１７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、   It is determined based on the dielectric constant distribution of the incident side portion or the emission side portion and the distribution of surface plasmons with respect to the direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer 17,

Figure 2013046865
Figure 2013046865

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の波数ベクトル変換層１８側の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、誘電性を有する層との界面を、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。よって、粗面を有するプラズモン励起層１７について実効誘電率を求める場合は、粗面の***部および沈降部の高低に対して、それぞれz座標の原点を変更し、それぞれの高さの発生頻度ごとに重み付けをし、その平均値として実効誘電率を求める必要がある。もし、実効誘電率の計算範囲において、光学異方性を持つ材料があれば、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持つ。つまり、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、入射側部分および出射側部分の実効誘電率が存在する。このとき、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）の値は、ｚ軸に垂直な動径方向に平行な方向に対する誘電率とする。よって、後述のkspp,z、kspp、ｄeffなど、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、異なった値を持つ。It is represented by Here, the integration range D is a range of three-dimensional coordinates of the incident side portion or the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 17. In other words, the x-axis and y-axis direction ranges in the integration range D are ranges that do not include the medium up to the outer peripheral surface of the structure included in the incident side portion or the outer peripheral surface of the structure included in the output side portion. It ranges up to the outer edge of the plane parallel to the plane of the wave number vector conversion layer 18 side of the excitation layer 17. The range in the z-axis direction in the integration range D is the range of the incident side portion or the emission side portion (including the medium). Regarding the range in the z-axis direction in the integration range D, the interface between the plasmon excitation layer 17 and the dielectric layer adjacent to the plasmon excitation layer 17 is a position where z = 0, and from this interface, The plasmon excitation layer 17 is a range from the adjacent layer side to infinity, and the direction away from this interface is the (+) z direction in the equation (1). Therefore, when obtaining the effective dielectric constant for the plasmon excitation layer 17 having a rough surface, the origin of the z coordinate is changed with respect to the height of the raised portion and the settled portion of the rough surface, and the frequency of occurrence of each height is changed. , And the effective dielectric constant needs to be obtained as an average value. If there is a material with optical anisotropy in the effective permittivity calculation range, ε (ω, x, y, z) is a vector and has a different value for each radial direction perpendicular to the z axis. . That is, for each radial direction perpendicular to the z-axis, there is an effective dielectric constant of the incident side portion and the emission side portion. At this time, the value of ε (ω, x, y, z) is a dielectric constant with respect to a direction parallel to the radial direction perpendicular to the z axis. Therefore, all phenomena related to effective permittivity such as k spp, z , k spp , and d eff described later have different values for each radial direction perpendicular to the z axis.

実効誘電率εeffは、以下の式を用いて計算してもよい。ただし、式（１）を用いる方が特に望ましい。The effective dielectric constant ε eff may be calculated using the following equation. However, it is particularly desirable to use the formula (1).

Figure 2013046865
Figure 2013046865

また、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、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１７の誘電率をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、Further, the z component k spp, z of the wave number of the surface plasmon, the x and y components k spp of the wave number of the surface plasmon are set such that the dielectric constant of the plasmon excitation layer 17 is ε metal and the wave number of light in vacuum is k 0. If

Figure 2013046865
Figure 2013046865

Figure 2013046865
Figure 2013046865

で表される。 It is represented by

ここで、Ｒｅ［］は、［］内の実部を取ることを表す。   Here, Re [] represents taking a real part in [].

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の実部εin（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１７に対する入射側部分の実効誘電率層εeffin、及び出射側部分の実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、実効誘電率εeff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εeffを容易に求められる。なお、プラズモン励起層１７に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合には、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。そのため、プラズモン励起層１７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。他の実施形態における実効誘電率も、式（１）と同様に定義される。Therefore, the real part ε in (ω of the dielectric constant distribution of the incident side portion of the plasmon excitation layer 17 is expressed as ε (ω, x, y, z) using Equations (1), (2), and (3). , X, y, z) and the real part ε out (ω, x, y, z) of the permittivity distribution of the emission side portion of the plasmon excitation layer 17 are respectively substituted and calculated, whereby the plasmon excitation layer 17 is calculated. effective permittivity epsilon Effout effective permittivity layer epsilon effin, and the exit-side portion of the incident side portion is obtained, respectively. In fact, given an appropriate initial value as the effective dielectric constant epsilon eff, equation (1), equation (2), by calculating repeatedly Equation (3) is obtained easily effective dielectric constant epsilon eff. When the real part of the dielectric constant of the layer in contact with the plasmon excitation layer 17 is very large, the z component k spp, z of the surface plasmon wave number at the interface is a real number. This corresponds to the absence of surface plasmons at the interface. Therefore, the dielectric constant of the layer in contact with the plasmon excitation layer 17 corresponds to the effective dielectric constant in this case. The effective dielectric constant in the other embodiments is also defined in the same manner as Equation (1).

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ｄeffは、Here, if the effective interaction distance of the surface plasmon is a distance where the intensity of the surface plasmon is e −2 , the effective interaction distance d eff of the surface plasmon is

Figure 2013046865
Figure 2013046865

で表わされる。 It is represented by

図５Ｃは図５Ａに示したキャリア生成層１６とプラズモン励起層１７の状態を示す断面図である。   FIG. 5C is a cross-sectional view showing a state of the carrier generation layer 16 and the plasmon excitation layer 17 shown in FIG. 5A.

図５Ｃに示すように、プラズモン励起層１７およびキャリア生成層１６について、これらの接合面を粗面とすることにより、キャリア生成層１６側から入射する励起光がプラズモン励起層１７に入射する際に散乱光が発生し、キャリア生成層１６で吸収される割合が高くなる。さらに、粗面の先鋭部では、局在プラズモンが発生し、粗面の先鋭部周辺では、励起光がキャリア生成層１６で吸収される割合が高くなる。以上のメカニズムによって発光強度が増大する。   As shown in FIG. 5C, when the plasmon excitation layer 17 and the carrier generation layer 16 are roughened, the excitation light incident from the carrier generation layer 16 side is incident on the plasmon excitation layer 17. Scattered light is generated and the rate of absorption by the carrier generation layer 16 increases. Further, localized plasmons are generated at the sharpened portion of the rough surface, and the ratio of the excitation light absorbed by the carrier generation layer 16 is increased around the sharpened portion of the rough surface. The light emission intensity is increased by the above mechanism.

表１にプラズモン励起層１７およびキャリア生成層１６の接合面が平面の場合と粗面とした場合の発光増強度を示し、図５Ｄに放射角度に対する規格化光子数（＝検出光子数／（吸収光子数×取込率））を示す。   Table 1 shows the emission enhancement when the joining surface of the plasmon excitation layer 17 and the carrier generation layer 16 is a flat surface and a rough surface, and FIG. 5D shows the normalized photon number (= detected photon number / (absorption) with respect to the radiation angle. Photon number x uptake rate)).

表１には、発光強度が増大することが示され、図５Ｄから発光強度の増大と高い指向性での放射が行われることが確認される。   Table 1 shows that the emission intensity increases, and it is confirmed from FIG. 5D that the emission intensity increases and radiation with high directivity is performed.

Figure 2013046865
Figure 2013046865

粗面の凹凸深さおよび凹凸幅は、キャリア生成層１６を単独で励起したときの発光波長をλとすると、５ｎｍ以上、λ以下が望ましい。その理由は、粗面の凹凸深さおよび凹凸幅が５ｎｍ未満では、表面プラズモンの励起強度や光の散乱強度が低いためであり、λ以上では、プラズモン励起層１７に励起される表面プラズモンが凹凸によって散乱され、高指向性放射として取り出される割合が減少するためである。更に望ましくは５ｎｍ以上、ｄeff以下であり、この場合はさらに表面プラズモンの散乱を抑制可能である。The unevenness depth and unevenness width of the rough surface are preferably 5 nm or more and λ or less, where λ is the emission wavelength when the carrier generation layer 16 is excited independently. The reason is that when the roughness depth and the width of the rough surface are less than 5 nm, the excitation intensity of the surface plasmon and the light scattering intensity are low, and when λ or more, the surface plasmon excited by the plasmon excitation layer 17 is uneven. This is because the ratio of being scattered and extracted as highly directional radiation is reduced. More preferably, it is 5 nm or more and d eff or less. In this case, scattering of surface plasmons can be further suppressed.

本発明での粗面は、図５Ｃでは先鋭形状としているが、図５Ｅに示すように先鋭部の先端は丸みを帯びていても良い。先端の曲率半径Ｒは１００ｎｍ以下が望ましく，２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度がさらに望ましい。曲率半径Ｒが１００ｎｍ以下であれば、先鋭に発生する局在プラズモンによって励起光がキャリア生成層１６内に閉じ込められる効果と、キャリアの生成速度が促進される効果が得られるため、発光強度の増大した高指向性放射が得られる。曲率半径Ｒが２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であれば、上記の効果がより強く得られるため、更に発光強度の増大した高指向性放射が得られる。   The rough surface in the present invention has a sharp shape in FIG. 5C, but the tip of the sharp portion may be rounded as shown in FIG. 5E. The curvature radius R of the tip is preferably 100 nm or less, and more preferably about 20 nm to 50 nm. If the radius of curvature R is 100 nm or less, the effect of confining the excitation light in the carrier generation layer 16 by the sharply generated localized plasmons and the effect of promoting the generation rate of carriers can be obtained. High directional radiation. If the radius of curvature R is about 20 nm to 50 nm, the above effect can be obtained more strongly, so that highly directional radiation with further increased emission intensity can be obtained.

粗面の形成範囲は、本発明ではプラズモン励起層１７の全面に設けているが、必要に応じて設計できることは言うまでもない。つまり、プラズモン励起層１７のキャリア生成層１６側の一部に粗面が形成される場合であっても、粗面を持たないものに比べて発光強度の増大した高指向性放射が得られる。   The formation range of the rough surface is provided on the entire surface of the plasmon excitation layer 17 in the present invention, but it goes without saying that it can be designed as necessary. That is, even when a rough surface is formed on a part of the plasmon excitation layer 17 on the carrier generation layer 16 side, highly directional radiation with increased emission intensity can be obtained as compared with the case where the plasmon excitation layer 17 has no rough surface.

図３５に示すように、プラズモン励起層３５０１のキャリア生成層側３５０２の粗面は矩形構造であっても良い。   As shown in FIG. 35, the rough surface on the carrier generation layer side 3502 of the plasmon excitation layer 3501 may have a rectangular structure.

また、図３６に示すように、プラズモン励起層３６０１のキャリア生成層側３６０２の粗面は、丸みを帯びた構造であっても良い。   As shown in FIG. 36, the rough surface on the carrier generation layer side 3602 of the plasmon excitation layer 3601 may have a rounded structure.

また、図３７、図３８に示すように、プラズモン励起層３７０１、３８０１のキャリア生成層３７０２、３８０２側の粗面は台形構造であっても良い。   As shown in FIGS. 37 and 38, the rough surfaces of the plasmon excitation layers 3701 and 3801 on the carrier generation layers 3702 and 3802 side may have a trapezoidal structure.

図３９、図４０に示すように、プラズモン励起層３９０１、４００１とキャリア生成層３９０３、４００３の間に誘電体層３９０２、４００２が配置されても良い。なお、誘電体層のキャリア生成層側の面は、図３９に示すように粗面であっても良いし、図４０に示すように平坦な面であっても良い。ここで、誘電体層の厚さは、キャリア生成層とプラズモン励起層の最近接距離が表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeff以下となる厚さが好ましい。As shown in FIGS. 39 and 40, dielectric layers 3902 and 4002 may be disposed between the plasmon excitation layers 3901 and 4001 and the carrier generation layers 3903 and 4003. Note that the surface of the dielectric layer on the carrier generation layer side may be a rough surface as shown in FIG. 39 or a flat surface as shown in FIG. Here, the thickness of the dielectric layer is preferably such that the closest distance between the carrier generation layer and the plasmon excitation layer is equal to or less than the effective interaction distance d eff of the surface plasmon.

また、粗面が図５Ｃのように周期性を持つ必要はなく、様々な凹凸深さ、凹凸幅および曲率半径を有していてもよい。   Further, the rough surface does not need to have periodicity as shown in FIG. 5C, and may have various uneven depth, uneven width, and radius of curvature.

他の実施形態においても、同様の粗面が適用可能なことは言うまでもない。   It goes without saying that the same rough surface can be applied to other embodiments.

本実施形態の場合には、キャリア生成層１６を発光素子１１の光で励起したときに発生する光の周波数において、導光体１２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層１８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。   In the case of the present embodiment, any layer including the light guide 12 or a medium in contact with the wave vector conversion layer 18 at the frequency of light generated when the carrier generation layer 16 is excited by the light of the light emitting element 11. However, the imaginary part of the complex dielectric constant is preferably as low as possible. By making the imaginary part of the complex dielectric constant as low as possible, plasmon coupling can be easily generated and light loss can be reduced.

光源装置２の周囲の媒質、つまり導光体１２や波数ベクトル変換層１８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１８側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。   The medium around the light source device 2, that is, the medium in contact with the light guide 12 and the wave vector conversion layer 18 may be solid, liquid, or gas, and the light guide 12 side and the wave vector conversion layer 18 side May be different media.

本実施形態では、複数の発光素子１１ａ〜１１ｎが、平板状の導光体１２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１１ａ〜１１ｎが側面と接続されている面を光入射面１４とする。発光素子１１としては、例えば、キャリア生成層１６、２００６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１１は、導光体１２の光入射面１４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。   In the present embodiment, the plurality of light emitting elements 11 a to 11 n are arranged on the four side surfaces of the flat light guide 12 with predetermined intervals, respectively. Here, a surface where the light emitting elements 11 a to 11 n are connected to the side surfaces is referred to as a light incident surface 14. As the light emitting element 11, for example, a light emitting diode (LED) that emits light having a wavelength that can be absorbed by the carrier generation layers 16 and 2006, a laser diode, a super luminescent diode, or the like is used. The light emitting element 11 may be disposed away from the light incident surface 14 of the light guide 12. For example, the light emitting element 11 is configured to be optically connected to the light guide 12 by a light guide member such as a light pipe. Also good.

本実施形態では、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体が設けられていてもよい。また、導光体１２は、光出射部１５と光入射面１４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２は、光出射部１５と光入射面１４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。   In the present embodiment, the light guide 12 is formed in a flat plate shape, but the shape of the light guide 12 is not limited to a rectangular parallelepiped. A structure body that controls light distribution characteristics such as a microprism may be provided inside the light guide body 12. The light guide 12 may be provided with a reflective film on the entire outer peripheral surface excluding the light emitting portion 15 and the light incident surface 14 or on a part of the outer peripheral surface. Similarly, the light source device 2 may be provided with a reflective film (not shown) on the entire or a part of the outer peripheral surface excluding the light emitting portion 15 and the light incident surface 14. As the reflective film, for example, a metal material such as silver or aluminum, or a dielectric multilayer film is used.

キャリア生成層１６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１６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１６の厚さは１μｍ以下が望ましい。   Examples of the carrier generation layer 16 include organic phosphors such as rhodamine (Rhodamine 6G) and sulforhodamine (sulfodamine 101), phosphors such as quantum dot phosphors such as CdSe and CdSe / ZnS quantum dots, and GaN and GaAs. Inorganic materials (semiconductors) such as (thiophene / phenylene) co-oligomer, and organic materials (semiconductor materials) such as Alq3 are used. When using a phosphor, the carrier generation layer 16 may include a mixture of materials that emit a plurality of wavelengths having the same or different emission wavelengths. The thickness of the carrier generation layer 16 is preferably 1 μm or less.

プラズモン励起層１７は、キャリア生成層１６単体を発光素子１１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の誘電率は、キャリア生成層１６単体を発光素子１１の光で励起したときに発生する発光周波数において、誘電率の実部が負である。   The plasmon excitation layer 17 is a fine particle layer or a thin film layer formed of a material having a plasma frequency higher than the frequency (light emission frequency) of light generated when the carrier generation layer 16 alone is excited by light of the light emitting element 11. . In other words, the dielectric constant of the plasmon excitation layer 17 is negative in the real part of the dielectric constant at the emission frequency generated when the carrier generation layer 16 alone is excited by the light of the light emitting element 11.

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、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、粗面部を除いて５０ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、０ｎｍ〜３０ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。つまり、プラズモン励起層１７の一部に空孔があり、プラズモン励起層１７前後の層が接触していてもよい。波数ベクトル変換層１８は、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面に励起された表面プラズモンを、その表面プラズモンの波数ベクトルを変換することで、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面から光として取り出し、光学素子１から光を出射させるための出射層である。   Examples of the material of the plasmon excitation layer 17 include gold, silver, copper, platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, and aluminum. Or alloys thereof. Among these, as a material of the plasmon excitation layer 17, gold, silver, copper, platinum, aluminum and alloys containing these as main components are preferable, and gold, silver, aluminum and alloys containing these as main components are particularly preferable. Further, the thickness of the plasmon excitation layer 17 is preferably 50 nm or less, particularly preferably about 0 nm to 30 nm, excluding the rough surface portion. That is, there may be a hole in a part of the plasmon excitation layer 17 and the layers around the plasmon excitation layer 17 may be in contact with each other. The wave vector conversion layer 18 converts the surface plasmon excited at the interface between the plasmon excitation layer 17 and the wave vector conversion layer 18 into a wave vector of the surface plasmon, whereby the plasmon excitation layer 17 and the wave vector conversion layer 18 are converted. This is an emission layer for taking out light from the interface with the optical element 1 and emitting light from the optical element 1.

波数ベクトル変換層１８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、又は準結晶構造、光学素子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、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ためである。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１８は、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造や、平板状の基部の上に凹部が設けられた構造であってもよい。なお、後述する実施形態では、波数ベクトル変換層１８がフォトニック結晶からなる構成のみを示すが、上述の他の構造でもよい。   Examples of the wave vector conversion layer 18 include a surface relief grating, a periodic structure represented by a photonic crystal, a quasi-periodic structure, or a quasi-crystal structure, a texture structure larger than the wavelength of light from the optical element 1, such as a rough surface. And the like using a surface structure on which is formed, a hologram, a microlens array, and the like. The quasi-periodic structure refers to, for example, an incomplete periodic structure in which a part of the periodic structure is missing. Among these, it is preferable to use a periodic structure represented by a photonic crystal, a quasi-periodic structure, a quasicrystalline structure, or a microlens array. This is because not only the light extraction efficiency can be increased, but also the directivity can be controlled. When using a photonic crystal, it is desirable that the crystal structure has a triangular lattice structure. The wave vector conversion layer 18 may have a structure in which a convex portion is provided on a flat plate-like base portion or a structure in which a concave portion is provided on a flat plate-like base portion. In the embodiment described later, only the configuration in which the wave vector conversion layer 18 is made of a photonic crystal is shown, but other structures described above may be used.

以上のように構成された光源装置２において、発光素子１１から指向性制御層１３に入射した光が、指向性制御層１３の光出射部１５から出射される動作を説明する。   In the light source device 2 configured as described above, an operation in which light incident on the directivity control layer 13 from the light emitting element 11 is emitted from the light emitting unit 15 of the directivity control layer 13 will be described.

図４に示すように、複数の発光素子１１のうち、例えば発光素子１１ｆから出射された光は、導光体１２の光入射面１４を透過し、導光体１２内を全反射しながら伝播する。このとき、導光体１２と指向性制御層１３との界面に入射した光の一部は、指向性制御層１３によって後述する式（５）に示す方向、波長に変換され光出射部１５から出射される。発光素子１１ｆから出射した光のうち指向性制御層１３で利用されなかった光は導光体１２に戻され、再度、導光体１２と指向性制御層１３との界面に入射した光の一部が、指向性制御層１３の特性に応じた方向、波長に変換され、光出射部１５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光出射部１５から出射される。また、複数の発光素子１１のうち、導光体１２を間に挟んで発光素子１１ｆに対向する位置に配置された発光素子１１ｍから出射し、光入射面１４を透過した光についても同様に、方向および波長が変換され光出射部１５から出射される。光出射部１５から出射される光の方向、波長は、指向性制御層１３の特性にのみ依存し、発光素子１１の位置、導光体１２と指向性制御層１３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、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１８を備える構成について説明する。   As shown in FIG. 4, among the plurality of light emitting elements 11, for example, light emitted from the light emitting element 11 f passes through the light incident surface 14 of the light guide 12 and propagates while totally reflecting inside the light guide 12. To do. At this time, a part of the light incident on the interface between the light guide 12 and the directivity control layer 13 is converted by the directivity control layer 13 into a direction and a wavelength shown in Expression (5) to be described later, from the light emitting unit 15. Emitted. Of the light emitted from the light emitting element 11f, the light that has not been used in the directivity control layer 13 is returned to the light guide body 12, and is again returned to the interface between the light guide body 12 and the directivity control layer 13. Are converted into directions and wavelengths according to the characteristics of the directivity control layer 13 and emitted from the light emitting unit 15. By repeating these steps, most of the light incident on the light guide 12 is emitted from the light emitting unit 15. Similarly, among the plurality of light emitting elements 11, the light emitted from the light emitting element 11 m disposed at the position facing the light emitting element 11 f with the light guide 12 interposed therebetween and similarly transmitted through the light incident surface 14. The direction and wavelength are converted and emitted from the light emitting unit 15. The direction and wavelength of the light emitted from the light emitting portion 15 depend only on the characteristics of the directivity control layer 13, and the incident angle to the position of the light emitting element 11 and the interface between the light guide 12 and the directivity control layer 13. Is independent. Hereinafter, unless otherwise specified, a configuration including the wave vector conversion layer 18 made of a photonic crystal will be described.

次に指向性制御層１３の特性について示す。導光体１２内を伝播している発光素子１１から光によって、キャリア生成層１６中に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、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８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１８で回折されて、光源装置２の外方に出射される。   Next, characteristics of the directivity control layer 13 will be described. Carriers are generated in the carrier generation layer 16 by light from the light emitting element 11 propagating in the light guide 12. The generated carriers cause plasmon coupling with free electrons in the plasmon excitation layer 17. Through this plasmon coupling, surface plasmons are excited at the interface between the plasmon excitation layer 17 and the wave vector conversion layer 18. The excited surface plasmon is diffracted by the wave vector conversion layer 18 and emitted to the outside of the light source device 2.

プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面の誘電率が空間的に均一、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。このため、本発明では、波数ベクトル変換層１８を設けることで、表面プラズモンを回折させ、光として取り出している。波数ベクトル変換層１８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。後述する式（５）が０となる条件では、ｚ軸に沿った方向に最も光強度の強いシングルピークの強度分布を有する。   When the dielectric constant at the interface between the plasmon excitation layer 17 and the wave vector conversion layer 18 is spatially uniform, that is, a flat surface, surface plasmons generated at this interface cannot be extracted. For this reason, in the present invention, by providing the wave vector conversion layer 18, the surface plasmon is diffracted and extracted as light. The light emitted from one point of the wave vector conversion layer 18 has an annular intensity distribution that spreads concentrically as it propagates. Under the condition that formula (5) described later is 0, the intensity distribution of the single peak having the strongest light intensity is provided in the direction along the z-axis.

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１８から出射する光の中心出射角θradは、波数ベクトル変換層１８の周期構造のピッチをΛとし、波数ベクトル変換層の光取り出し側（すなわち、波数ベクトル変換層に接する媒質）の屈折率をｎｒａｄとすると、When the emission angle having the highest intensity is set as the central emission angle, the central emission angle θ rad of light emitted from the wave vector conversion layer 18 is Λ, and the pitch of the periodic structure of the wave vector conversion layer 18 is Λ. If the refractive index of the light extraction side (that is, the medium in contact with the wave vector conversion layer) is n rad ,

Figure 2013046865
Figure 2013046865

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１７と波数ベクトル変換層１８との界面には、式（３）によって求まる波数近傍の表面プラズモンしか存在しないので、式（５）より求まる出射光の角度分布も狭くなる。 It is represented by Here, i is a positive or negative integer. At the interface between the plasmon excitation layer 17 and the wave vector conversion layer 18, only surface plasmons in the vicinity of the wave number determined by the equation (3) exist, and therefore the angular distribution of the emitted light determined by the equation (5) becomes narrow.

図６Ａ〜図６Ｇに、光源装置２が備える光学素子１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６Ａ及び図６Ｂに示すように、導光体１２の上にキャリア生成層１６をスピンコート法で塗布する。続いてキャリア生成層１６の上に粗面をエッチングにより形成する。その後、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６Ｃに示すように、キャリア生成層１６の上に、プラズモン励起層１７を形成する。   The manufacturing process of the optical element 1 with which the light source device 2 is provided is shown to FIG. 6A-FIG. 6G. This is merely an example, and the present invention is not limited to this manufacturing method. First, as shown in FIGS. 6A and 6B, a carrier generation layer 16 is applied on the light guide 12 by a spin coating method. Subsequently, a rough surface is formed on the carrier generation layer 16 by etching. Thereafter, as shown in FIG. 6C, the plasmon excitation layer 17 is formed on the carrier generation layer 16 by, for example, physical vapor deposition, electron beam vapor deposition, sputtering, or the like.

次に、図６Ｄに示すように、キャリア生成層１６の上に、フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層１８を形成する。続いて、図６Ｅに示すように、波数ベクトル変換層１８の上にレジスト膜２１をスピンコート法で塗布し、図６Ｆに示すように、ナノインプリントでレジスト膜２１にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。図６Ｇ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１８をエッチングし、その後、レジスト膜２１を波数ベクトル変換層１８から剥離する。最後に、導光体１２の外周部に複数の発光素子１１を配置することで、光源装置２が完成する。   Next, as shown in FIG. 6D, a wave vector conversion layer 18 is formed on the carrier generation layer 16 by a photonic crystal. Subsequently, as shown in FIG. 6E, a resist film 21 is applied onto the wave vector conversion layer 18 by spin coating, and a negative pattern of the photonic crystal is transferred to the resist film 21 by nanoimprinting as shown in FIG. 6F. To do. As shown in FIG. 6G, the wave vector conversion layer 18 is etched to a desired depth by dry etching, and then the resist film 21 is peeled from the wave vector conversion layer 18. Finally, the light source device 2 is completed by arranging the plurality of light emitting elements 11 on the outer periphery of the light guide 12.

上述したように本実施形態の光源装置２は、導光体１２に指向性制御層１３が設けられる比較的簡素な構成であるので、光源装置２全体の小型化を図ることができる。また、本実施形態による光源装置２では、波数ベクトル変換層１８に入射する光の入射角が、プラズモン励起層１７の複素誘電率と、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、光源装置２内で発生する光の発光スペクトルとによって決定される。このため、光学素子１からの出射光の指向性が、発光素子１１の指向性に制限されることがなくなる。また、各実施形態による光源装置２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１１のエテンデューに依存することなく、光源装置２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２からの出射光のエテンデューが、発光素子１１のエテンデューによって制限されないので、光源装置２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１１からの入射光を合成することができる。   As described above, the light source device 2 of the present embodiment has a relatively simple configuration in which the light guide 12 is provided with the directivity control layer 13, so that the light source device 2 as a whole can be downsized. In the light source device 2 according to the present embodiment, the incident angle of light incident on the wave vector conversion layer 18 is such that the complex dielectric constant of the plasmon excitation layer 17 and the effective dielectric constant of the incident side portion sandwiching the plasmon excitation layer 17 are. And the effective dielectric constant of the emission side portion and the emission spectrum of the light generated in the light source device 2. For this reason, the directivity of the emitted light from the optical element 1 is not limited to the directivity of the light emitting element 11. In addition, the light source device 2 according to each embodiment can apply the plasmon coupling in the radiation process, thereby narrowing the radiation angle of the emitted light from the optical element 1 and improving the directivity of the emitted light. That is, according to the present embodiment, the etendue of the emitted light from the light source device 2 can be reduced without depending on the etendue of the light emitting element 11. Further, since the etendue of the emitted light from the light source device 2 is not limited by the etendue of the light emitting element 11, the incident light from the plurality of light emitting elements 11 is synthesized while keeping the etendue of the emitted light from the light source device 2 small. be able to.

加えて、上述した特許文献１に開示された構成では、光軸合わせ部材２０２ａ〜２０２ｄや光源セット２０１ａ，２０１ｂ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、本実施形態における光学素子１によれば、光学素子１全体の小型化を図ることができる。   In addition, the configuration disclosed in Patent Document 1 described above has a problem that the entire light source unit is increased in size by including the optical axis alignment members 202a to 202d and the light source sets 201a and 201b. However, according to the optical element 1 in the present embodiment, the entire optical element 1 can be reduced in size.

また、上述した特許文献２に開示された構成では、複数のＬＥＤ３００からの光が、交差させて配置されたプリズムシート３０４，３０５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。しかし、各実施形態による光学素子１によれば、複数の発光素子１１からの光の利用効率を向上することができる。   Further, in the configuration disclosed in Patent Document 2 described above, there is a problem in that light from the plurality of LEDs 300 is bent in various directions by the prism sheets 304 and 305 arranged to intersect each other, thereby causing light loss. . However, according to the optical element 1 according to each embodiment, the utilization efficiency of light from the plurality of light emitting elements 11 can be improved.

本実施形態は一般的な半導体分野における構造体形成技術によって作製可能である。   This embodiment can be manufactured by a structure forming technique in a general semiconductor field.

（第２の実施形態）
図５Ｂは、本発明の第２の実施形態の要部構成を示す図である。本実施形態は第１の実施形態の指向性制御層１３の構成のみを異ならせたものであるため、図５Ｂには指向性制御層１３'のみを示す。指向性制御層１３'は、導光体１２に設けられ、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２００６と、このキャリア生成層２００６上に積層され、キャリア生成層２００６を発光素子１１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２００８と、このプラズモン励起層２００８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２０１０と、を備えている。(Second Embodiment)
FIG. 5B is a diagram showing a main configuration of the second embodiment of the present invention. Since the present embodiment is obtained by changing only the configuration of the directivity control layer 13 of the first embodiment, only the directivity control layer 13 ′ is shown in FIG. 5B. The directivity control layer 13 ′ is provided on the light guide 12, and a carrier generation layer 2006 in which carriers are generated by a part of light incident from the light guide 12, and is laminated on the carrier generation layer 2006. A plasmon excitation layer 2008 having a plasma frequency higher than the frequency of light generated when the generation layer 2006 is excited by light of the light emitting element 11, and a wave vector of the incident light that is stacked on the plasmon excitation layer 2008 and converted. And a wave vector conversion layer 2010 as an emission layer that emits light.

また、プラズモン励起層２００８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、本構成例による指向性制御層１３'は、プラズモン励起層２００８と波数ベクトル変換層２０１０との間に挟まれて設けられた高誘電率層２００９と、キャリア生成層２００６とプラズモン励起層２００８との間に挟まれて設けられ、高誘電率層２００９よりも誘電率が低い低誘電率層２００７と、を備えている。高誘電率層２００９、低誘電率層２００７を含まなくとも、後述する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低い場合、高誘電率層２００９、低誘電率層２００７は本実施形態の動作において、必須の構成要素ではない。   The plasmon excitation layer 2008 is sandwiched between two layers having dielectric properties. As two layers having dielectric properties, the directivity control layer 13 ′ according to this configuration example includes a high dielectric constant layer 2009 provided between the plasmon excitation layer 2008 and the wave vector conversion layer 2010, and carrier generation. A low dielectric constant layer 2007 provided between the layer 2006 and the plasmon excitation layer 2008 and having a dielectric constant lower than that of the high dielectric constant layer 2009. Even if the high dielectric constant layer 2009 and the low dielectric constant layer 2007 are not included, when the effective dielectric constant of the incident side portion described later is lower than the effective dielectric constant of the output side portion, the high dielectric constant layer 2009 and the low dielectric constant layer 2007 are provided. Is not an essential component in the operation of this embodiment.

そして、本構成例における光学素子１１は、プラズモン励起層２００８の導光体１２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２００８の波数ベクトル変換層２０１０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２００８の導光体１２側に積層された構造全体には、導光体１２が含まれる。プラズモン励起層２００８の波数ベクトル変換層２０１０側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層２０１０が含まれる。   In the optical element 11 in this configuration example, the effective dielectric constant of the incident side portion (hereinafter simply referred to as the incident side portion) including the entire structure laminated on the light guide 12 side of the plasmon excitation layer 2008 is plasmon excitation. The effective dielectric constant of the emission side portion (hereinafter, simply referred to as the emission side portion) including the entire structure stacked on the wave vector conversion layer 2010 side of the layer 2008 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 10 is reduced. It is configured. The entire structure stacked on the light guide 12 side of the plasmon excitation layer 2008 includes the light guide 12. The entire structure laminated on the wave vector conversion layer 2010 side of the plasmon excitation layer 2008 includes the wave vector conversion layer 2010.

つまり、本構成例では、プラズモン励起層２００８に対する、導光体１２及びキャリア生成層２００６を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層２００８に対する、波数ベクトル変換層２０１０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。   In other words, in this configuration example, the effective dielectric constant of the incident side portion including the light guide 12 and the carrier generation layer 2006 with respect to the plasmon excitation layer 2008 is an emission including the wave vector conversion layer 2010 and the medium with respect to the plasmon excitation layer 2008. It is lower than the effective dielectric constant of the side portion.

詳細には、プラズモン励起層２００８の入射側部分（発光素子１１側）の実効誘電率が、プラズモン励起層２００８の出射側部分（波数ベクトル変換層２０１０側）の実効誘電率よりも低く設定されている。   Specifically, the effective dielectric constant of the incident side portion (light emitting element 11 side) of the plasmon excitation layer 2008 is set lower than the effective dielectric constant of the emission side portion (wave number vector conversion layer 2010 side) of the plasmon excitation layer 2008. Yes.

図５Ｂに示した低誘電率層２００７の上面には粗面化処理が施され、低誘電率層２００７上に積層されるプラズモン励起層２００８の低誘電率層２００７との接合面は粗面とされる。 本実施形態の場合には、キャリア生成層１６を発光素子１１の光で励起したときに発生する光の周波数において、導光体１２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層２０１０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。   The upper surface of the low dielectric constant layer 2007 shown in FIG. 5B is subjected to a roughening treatment, and the bonding surface of the plasmon excitation layer 2008 laminated on the low dielectric constant layer 2007 with the low dielectric constant layer 2007 is a rough surface. Is done. In the case of the present embodiment, any layer including the light guide 12 or a medium in contact with the wave vector conversion layer 2010 at the frequency of light generated when the carrier generation layer 16 is excited by the light of the light emitting element 11. However, the imaginary part of the complex dielectric constant is preferably as low as possible. By making the imaginary part of the complex dielectric constant as low as possible, plasmon coupling can be easily generated and light loss can be reduced.

光源装置５０の周囲の媒質、つまり導光体１２や波数ベクトル変換層２０１０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２０１０側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。   The medium around the light source device 50, that is, the medium in contact with the light guide 12 and the wave vector conversion layer 2010 may be solid, liquid, or gas. The light guide 12 side and the wave vector conversion layer 2010 side May be different media.

第２の実施形態の場合、低誘電率層２００７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を用いるのが好ましい。また、低誘電率層２００７の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。In the case of the second embodiment, examples of the low dielectric constant layer 2007 include an SiO 2 nanorod array film, SiO 2 , AlF 3 , MgF 2 , Na 3 AlF 6 , NaF, LiF, CaF 2 , BaF 2 , low It is preferable to use a thin film such as a dielectric constant plastic or a porous film. The thickness of the low dielectric constant layer 2007 is desirably as thin as possible.

高誘電率層２００９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。Examples of the high dielectric constant layer 2009 include diamond, TiO 2 , CeO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , Sb 2 O 3 , HfO 2 , La 2 O 3 , NdO 3 , Y 2 O 3 , ZnO, and Nb. It is preferable to use a high dielectric constant material such as 2 O 5 .

プラズモン励起層２００８は、キャリア生成層２００６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２００８は、キャリア生成層２００６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。   The plasmon excitation layer 2008 is a fine particle layer or a thin film layer formed of a material having a plasma frequency higher than the frequency (light emission frequency) of light generated when the carrier generation layer 2006 alone is excited by light of the light emitting element 1. . In other words, the plasmon excitation layer 2008 has a negative dielectric constant at an emission frequency that is generated when the carrier generation layer 2006 is excited by the light of the light emitting element 1.

波数ベクトル変換層２０１０は、この波数ベクトル変換層２０１０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２００９から光を取り出し、光学素子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２０１０は、高誘電率層２００９とプラズモン励起層２００８との界面から出射する光を所定の出射角の光に変換して光学素子１から出射する。つまり、波数ベクトル変換層２０１０は、プラズモン励起層２００８と波数ベクトル変換層２０１０との界面にほぼ直交するように、光学素子１から出射光を出射させる機能を奏している。   The wave vector conversion layer 2010 is an emission layer for extracting light from the high dielectric constant layer 2009 and emitting light from the optical element 1 by converting the wave vector of incident light incident on the wave vector conversion layer 2010. is there. In other words, the wave vector conversion layer 2010 converts light emitted from the interface between the high dielectric constant layer 2009 and the plasmon excitation layer 2008 into light having a predetermined emission angle and emits the light from the optical element 1. That is, the wave vector conversion layer 2010 has a function of emitting outgoing light from the optical element 1 so as to be substantially orthogonal to the interface between the plasmon excitation layer 2008 and the wave vector conversion layer 2010.

導光体１２と反対側の、高誘電率層２００９の表面は、波数ベクトル変換層２０１０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。   The surface of the high dielectric constant layer 2009 on the side opposite to the light guide 12 is configured such that a microlens array is disposed instead of a photonic crystal as the wave vector conversion layer 2010, or a rough surface is formed. It may be.

以上のように構成された光源装置２において、発光素子１１から指向性制御層１３’に入射した光が、指向性制御層１３’の光出射部１５から出射される動作を説明する。   In the light source device 2 configured as described above, an operation in which light incident on the directivity control layer 13 ′ from the light emitting element 11 is emitted from the light emitting unit 15 of the directivity control layer 13 ′ will be described.

本実施形態の動作について図４を参照して説明する。図４に示すように、複数の発光素子１１のうち、例えば発光素子１１ｆから出射された光は、導光体１２の光入射面１４を透過し、導光体１２内を全反射しながら伝播する。このとき、導光体１２と指向性制御層１３’との界面に入射した光の一部は、指向性制御層１３’によって後述する式（６）の方向、波長に変換され、波数ベクトル変換層２０１０から出射される。発光素子１１ｆから出射した光のうち指向性制御層１３’で利用されなかった光は導光体１２に戻され、再度、導光体１２と指向性制御層１３’との界面に入射した光の一部が、指向性制御層１３’の特性に応じた方向、波長に変換され、光出射部１５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光出射部１５から出射される。また、複数の発光素子１１のうち、導光体１２を間に挟んで発光素子１１ｆに対向する位置に配置された発光素子１１ｍから出射し、光入射面１４を透過した光についても同様に、方向および波長が変換され光出射部１５から出射される。光出射部１５から出射される光の方向、波長は、指向性制御層１３’の特性にのみ依存し、発光素子１１の位置、導光体１２と指向性制御層１３’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、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層２０１０を備える構成について図５Ｂを参照して説明する。   The operation of this embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, among the plurality of light emitting elements 11, for example, light emitted from the light emitting element 11 f passes through the light incident surface 14 of the light guide 12 and propagates while totally reflecting inside the light guide 12. To do. At this time, a part of the light incident on the interface between the light guide 12 and the directivity control layer 13 ′ is converted into the direction and wavelength of the formula (6) described later by the directivity control layer 13 ′, and wave vector conversion is performed. The light is emitted from the layer 2010. Of the light emitted from the light emitting element 11f, the light that has not been used in the directivity control layer 13 ′ is returned to the light guide 12 and is again incident on the interface between the light guide 12 and the directivity control layer 13 ′. Is converted into a direction and a wavelength according to the characteristics of the directivity control layer 13 ′ and emitted from the light emitting unit 15. By repeating these steps, most of the light incident on the light guide 12 is emitted from the light emitting unit 15. Similarly, among the plurality of light emitting elements 11, the light emitted from the light emitting element 11 m disposed at the position facing the light emitting element 11 f with the light guide 12 interposed therebetween and similarly transmitted through the light incident surface 14. The direction and wavelength are converted and emitted from the light emitting unit 15. The direction and wavelength of the light emitted from the light emitting portion 15 depend only on the characteristics of the directivity control layer 13 ′, and the position of the light emitting element 11 and the interface between the light guide 12 and the directivity control layer 13 ′. It is independent of the incident angle. Hereinafter, unless otherwise specified, a configuration including the wave vector conversion layer 2010 made of a photonic crystal will be described with reference to FIG. 5B.

次に指向性制御層１３’の特性について示す。導光体１２内を伝播している発光素子１１から光によって、キャリア生成層２００６中に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２００８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２００８と波数ベクトル変換層２０１０との界面から光が放射される。この光は、波数ベクトル変換層２０１０で回折されて、光源装置２の外方に出射される。   Next, characteristics of the directivity control layer 13 'will be described. Carriers are generated in the carrier generation layer 2006 by light from the light emitting element 11 propagating in the light guide 12. The generated carriers cause plasmon coupling with free electrons in the plasmon excitation layer 2008. Light is emitted from the interface between the plasmon excitation layer 2008 and the wave vector conversion layer 2010 via this plasmon coupling. This light is diffracted by the wave vector conversion layer 2010 and emitted to the outside of the light source device 2.

波数ベクトル変換層２０１０がない場合には、この界面から出射した光は、光源装置２と空気の界面において全反射角以上の光であるため取り出すことはできない。このため、本発明では、波数ベクトル変換層２０１０を設けることで、この光を回折させ、取り出している。波数ベクトル変換層２０１０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。波数ベクトル変換層１８へ入射する光の最も強度が高い入射角を中心入射角としたとき、波数ベクトル変換層１８へ入射する光の中心入射角θoutは、高誘電率層２００９の屈折率をｎoutとすれば、When the wave vector conversion layer 2010 is not provided, the light emitted from this interface cannot be extracted because it is light having a total reflection angle or more at the interface between the light source device 2 and the air. Therefore, in the present invention, by providing the wave vector conversion layer 2010, this light is diffracted and extracted. The light emitted from one point of the wave vector conversion layer 2010 has an annular intensity distribution that spreads concentrically as it propagates. When the incident angle with the highest intensity of the light incident on the wave vector conversion layer 18 is the central incident angle, the central incident angle θ out of the light incident on the wave vector conversion layer 18 is the refractive index of the high dielectric constant layer 2009. n out ,

Figure 2013046865
Figure 2013046865

で表わされる。プラズモン励起層２００８と低誘電率層２００７との界面には、式（３）によって求まる波数近傍の表面プラズモンしか存在しないので、式（６）より求まる波数ベクトル変換層２０１０へ入射する光の角度分布も狭くなる。よって、波数ベクトル変換層２０１０で回折されて取り出される光の角度分布も狭くなる。 It is represented by At the interface between the plasmon excitation layer 2008 and the low dielectric constant layer 2007, there are only surface plasmons in the vicinity of the wave number determined by the equation (3), so the angle distribution of the light incident on the wave vector conversion layer 2010 determined by the equation (6) Becomes narrower. Therefore, the angular distribution of the light diffracted and extracted by the wave vector conversion layer 2010 is also narrowed.

図７Ａ〜図７Ｅに、第２の実施形態による光学素子１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７Ａ及び図７Ｂに示すように、導光体１２の上にキャリア生成層２００６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７Ｃ〜図７Ｅに示すように、キャリア生成層２００６の上に、低誘電率層２００７、プラズモン励起層２００８、高誘電率層２００９の順にそれぞれ積層する。低誘電率層２００７の積層後、プラズモン励起層２００８を積層する前に、低誘電率層２００７の表面をエッチングし、低誘電率層２００７の表面に粗面を形成する。   7A to 7E show manufacturing steps of the optical element 1 according to the second embodiment. This is merely an example, and the present invention is not limited to this manufacturing method. First, as shown in FIGS. 7A and 7B, a carrier generation layer 2006 is applied on the light guide 12 by a spin coating method. Subsequently, as shown in FIGS. 7C to 7E, for example, by physical vapor deposition, electron beam vapor deposition, sputtering, or the like, the low dielectric constant layer 2007, the plasmon excitation layer 2008, and the high dielectric constant layer 2009 are formed on the carrier generation layer 2006. Are stacked in the order of. After the low dielectric constant layer 2007 is laminated and before the plasmon excitation layer 2008 is laminated, the surface of the low dielectric constant layer 2007 is etched to form a rough surface on the surface of the low dielectric constant layer 2007.

フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層２０１０を形成する製造工程を、図８Ａ〜図８Ｄに示す。図８Ａに示すように高誘電率層２００９上に波数ベクトル変換層２０１０を形成し、この波数ベクトル変換層２０１０の上にレジスト膜２０１１をスピンコート法で塗布し、図８Ｂに示すようにナノインプリントでレジスト膜２０１１にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。図８Ｃ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２０１０をエッチングし、その後、図８Ｄに示すようにレジスト膜２０１１を剥離する。最後に、導光体１２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２が完成する。   A manufacturing process for forming the wave vector conversion layer 2010 by a photonic crystal is shown in FIGS. 8A to 8D. A wave vector conversion layer 2010 is formed on the high dielectric constant layer 2009 as shown in FIG. 8A, a resist film 2011 is applied on the wave vector conversion layer 2010 by a spin coating method, and nano imprint is applied as shown in FIG. 8B. The negative pattern of the photonic crystal is transferred to the resist film 2011. The wave vector conversion layer 2010 is etched to a desired depth by dry etching as shown in FIG. 8C, and then the resist film 2011 is peeled off as shown in FIG. 8D. Finally, the light source device 2 is completed by arranging the plurality of light emitting elements 1 on the outer periphery of the light guide 12.

図９Ａ〜図９Ｈに、光源装置２の高誘電率層２００９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２０１０を形成する、もう１つの製造工程を示す。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。   9A to 9H show another manufacturing process in which the wave vector conversion layer 2010 is formed by a photonic crystal on the surface of the high dielectric constant layer 2009 of the light source device 2. This is merely an example and is not limited to this manufacturing method.

まず、図９Ａに示すように、基板１２上にレジスト膜２０１１をスピンコート法で塗布し、図９Ｂに示すように、ナノインプリントでレジスト膜２０１１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９Ｃ〜図９Ｅ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２００９、プラズモン励起層２００８、低誘電率層２００７の順に積層する。図９Ｆに示すように、低誘電率層２００７の上にキャリア生成層２００６をスピンコート法で塗布し、図９Ｇに示すように、キャリア生成層２００６に導光体１２を圧着し、乾燥させる。最後に、図９Ｈに示すように、レジスト膜２０１１を基板２０１２から剥離した後、導光体１２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２が完成する。   First, as shown in FIG. 9A, a resist film 2011 is applied on the substrate 12 by spin coating, and as shown in FIG. 9B, a negative pattern of a photonic crystal is transferred to the resist film 2011 by nanoimprinting. Subsequently, as shown in FIGS. 9C to 9E, a high dielectric constant layer 2009, a plasmon excitation layer 2008, and a low dielectric constant layer 2007 are sequentially laminated by physical vapor deposition, electron beam vapor deposition, and sputtering. As shown in FIG. 9F, a carrier generation layer 2006 is applied on the low dielectric constant layer 2007 by a spin coating method, and as shown in FIG. 9G, the light guide 12 is pressure-bonded to the carrier generation layer 2006 and dried. Finally, as shown in FIG. 9H, after the resist film 2011 is peeled from the substrate 2012, the light source device 2 is completed by disposing the plurality of light emitting elements 1 on the outer periphery of the light guide 12.

上述したように本実施形態の光源装置２は、導光体１２に指向性制御層１３が設けられる比較的簡素な構成であるので、光源装置２全体の小型化を図ることができる。また、本実施形態による光源装置２では、波数ベクトル変換層１８に入射する光の入射角が、プラズモン励起層１７の複素誘電率と、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、光源装置２内で発生する光の発光スペクトルとによって決定される。このため、光学素子１からの出射光の指向性が、発光素子１１の指向性に制限されることがなくなる。また、各実施形態による光源装置２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１１のエテンデューに依存することなく、光源装置２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２からの出射光のエテンデューが、発光素子１１のエテンデューによって制限されないので、光源装置２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１１からの入射光を合成することができる。   As described above, the light source device 2 of the present embodiment has a relatively simple configuration in which the light guide 12 is provided with the directivity control layer 13, so that the light source device 2 as a whole can be downsized. In the light source device 2 according to the present embodiment, the incident angle of light incident on the wave vector conversion layer 18 is such that the complex dielectric constant of the plasmon excitation layer 17 and the effective dielectric constant of the incident side portion sandwiching the plasmon excitation layer 17 are. And the effective dielectric constant of the emission side portion and the emission spectrum of the light generated in the light source device 2. For this reason, the directivity of the emitted light from the optical element 1 is not limited to the directivity of the light emitting element 11. In addition, the light source device 2 according to each embodiment can apply the plasmon coupling in the radiation process, thereby narrowing the radiation angle of the emitted light from the optical element 1 and improving the directivity of the emitted light. That is, according to the present embodiment, the etendue of the emitted light from the light source device 2 can be reduced without depending on the etendue of the light emitting element 11. Further, since the etendue of the emitted light from the light source device 2 is not limited by the etendue of the light emitting element 11, the incident light from the plurality of light emitting elements 11 is synthesized while keeping the etendue of the emitted light from the light source device 2 small. be able to.

加えて、上述した特許文献１に開示された構成では、光軸合わせ部材２０２ａ〜２０２ｄや光源セット２０１ａ，２０１ｂ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、本実施形態における光学素子１によれば、光学素子１全体の小型化を図ることができる。   In addition, the configuration disclosed in Patent Document 1 described above has a problem that the entire light source unit is increased in size by including the optical axis alignment members 202a to 202d and the light source sets 201a and 201b. However, according to the optical element 1 in the present embodiment, the entire optical element 1 can be reduced in size.

また、上述した特許文献２に開示された構成では、複数のＬＥＤ３００からの光が、交差させて配置されたプリズムシート３０４，３０５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。しかし、各実施形態による光学素子１によれば、複数の発光素子１１からの光の利用効率を向上することができる。   Further, in the configuration disclosed in Patent Document 2 described above, there is a problem in that light from the plurality of LEDs 300 is bent in various directions by the prism sheets 304 and 305 arranged to intersect each other, thereby causing light loss. . However, according to the optical element 1 according to each embodiment, the utilization efficiency of light from the plurality of light emitting elements 11 can be improved.

（第３の実施形態）
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２と比べて指向性制御層１３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、以下の各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１３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。(Third embodiment)
Hereinafter, light source devices according to other embodiments will be described. Since the light source device of other embodiment differs only in the structure of the directivity control layer 13 compared with the light source device 2 of 1st Embodiment, only a directivity control layer is demonstrated. In the directivity control layers of the following embodiments, the same reference numerals as those in the first embodiment are assigned to the same layers as the directivity control layer 13 in the first embodiment, and the description thereof is omitted.

本実施形態は、図５Ａに示した第１の実施形態における波数ベクトル変換層１８の構成を異ならせたものである。波数ベクトル変換層１８としては、フォトニック結晶の代わりに、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た層が用いられる構成としてもよい。図１０に、第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の模式的な斜視図を示す。   In the present embodiment, the configuration of the wave vector conversion layer 18 in the first embodiment shown in FIG. 5A is different. The wave vector conversion layer 18 may have a configuration in which a microlens array is disposed instead of a photonic crystal, or a layer in which a rough surface is formed. In FIG. 10, the typical perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 3rd Embodiment is provided is shown.

図１０に示すように、指向性制御層２３は、プラズモン励起層１７の表面に、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２８が設けられている。指向性制御層２３は、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２８を備える構成であっても、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１８を備える構成と同様の効果が得られる。   As shown in FIG. 10, the directivity control layer 23 is provided with a wave vector conversion layer 28 made of a microlens array on the surface of the plasmon excitation layer 17. Even if the directivity control layer 23 is configured to include the wave vector conversion layer 28 formed of a microlens array, the same effect as that of the configuration including the wave vector conversion layer 18 formed of a photonic crystal can be obtained.

プラズモン励起層１７の上にマイクロレンズアレイ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、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。マイクロレンズアレイを備える構成においても、図６Ａ〜図６Ｇに示した製造方法と同様に、導光体１２に、キャリア生成層１６及びプラズモン励起層１７を積層するので、これらの製造工程の説明を省略する。   11A and 11B are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the configuration in which the microlens array is laminated on the plasmon excitation layer 17. Even in the configuration including the microlens array, the carrier generation layer 16 and the plasmon excitation layer 17 are laminated on the light guide 12 in the same manner as in the manufacturing method shown in FIGS. 6A to 6G. Omitted.

図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、図６Ａ〜図６Ｇに示した製造方法を用いて、導光体１２に、キャリア生成層１６及びプラズモン励起層１７を積層した後、プラズモン励起層１７の表面に、マイクロレンズアレイによって波数ベクトル変換層２８を形成する。この作製方法はあくまで一例であって、これに限定されるものではない。図１１Ａに示すように、プラズモン励起層１７の表面に、ＵＶ硬化樹脂３１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３１に所望のレンズアレイパターンを成形し、ＵＶ硬化樹脂３１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が形成される。   As shown in FIGS. 11A and 11B, the carrier generation layer 16 and the plasmon excitation layer 17 are laminated on the light guide 12 using the manufacturing method shown in FIGS. 6A to 6G, and then the surface of the plasmon excitation layer 17 is obtained. In addition, the wave vector conversion layer 28 is formed by a microlens array. This manufacturing method is merely an example, and the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 11A, after a UV curable resin 31 is applied to the surface of the plasmon excitation layer 17 by a spin coating method or the like, a desired lens array pattern is formed on the UV curable resin 31 using nanoimprint, and then UV cured. The resin 31 is irradiated with light and cured to form a microlens array.

以上のように構成された第２の実施形態における指向性制御層２３においても、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２８を備えることで、第１の実施形態と同様の効果が得られる。   Also in the directivity control layer 23 in the second embodiment configured as described above, the same effect as in the first embodiment can be obtained by including the wave vector conversion layer 28 formed of a microlens array.

なお、後述する実施形態では、波数ベクトル変換層１８がフォトニック結晶からなる構成も示すが、上述のように、波数ベクトル変換層１８をマイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２８に置き換えても良く、各実施形態と同様の効果が得られる。   In the embodiment described later, a configuration in which the wave vector conversion layer 18 is made of a photonic crystal is also shown. However, as described above, the wave vector conversion layer 18 may be replaced with the wave vector conversion layer 28 made of a microlens array. The same effect as each embodiment is acquired.

（第４の実施形態）
図１２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１２に示すように、第４の実施形態における指向性制御層３３は、導光体１２の上に、キャリア生成層１６、プラズモン励起層１７、誘電率層１９、波数ベクトル変換層１８の順に積層されて構成されている。(Fourth embodiment)
In FIG. 12, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 4th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 12, the directivity control layer 33 in the fourth embodiment includes a carrier generation layer 16, a plasmon excitation layer 17, a dielectric constant layer 19, and a wave vector conversion layer 18 in this order on the light guide 12. It is configured by stacking.

したがって、第４の実施形態では、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との間に、誘電率層１９を独立して備えている点が第１の実施形態と異なっている。この誘電率層１９は、後述する第５の実施形態における誘電率層２０（高誘電率層２０）よりも誘電率が低く設定されているので、以降、低誘電率層１９と称する。低誘電率層１９の誘電率としては、プラズモン励起層１７に対する入射側部分の実効誘電率よりも出射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲が許容される。つまり、低誘電率層１９の誘電率が、プラズモン励起層１７に対する入射側部分の実効誘電率よりも小さい必要はない。   Therefore, the fourth embodiment is different from the first embodiment in that a dielectric constant layer 19 is independently provided between the plasmon excitation layer 17 and the wave vector conversion layer 18. Since this dielectric constant layer 19 is set to have a dielectric constant lower than that of a dielectric constant layer 20 (high dielectric constant layer 20) in a fifth embodiment to be described later, it will be referred to as a low dielectric constant layer 19 hereinafter. As the dielectric constant of the low dielectric constant layer 19, a range in which the effective dielectric constant of the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 17 is kept lower than the effective dielectric constant of the incident side portion is allowed. That is, the dielectric constant of the low dielectric constant layer 19 need not be smaller than the effective dielectric constant of the incident side portion with respect to the plasmon excitation layer 17.

低誘電率層１９は、波数ベクトル変換層１８と異なる材料によって形成されてもよい。このため、本実施形態は、波数ベクトル変換層１８の材料選択の自由度を高めることができる。   The low dielectric constant layer 19 may be formed of a material different from that of the wave vector conversion layer 18. For this reason, this embodiment can raise the freedom degree of the material selection of the wave vector conversion layer 18.

低誘電率層１９としては、例えば、ＳｉＯ2、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、低誘電率プラスチック等からなる薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。また、低誘電率層１９の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。なお、この厚さの許容最大値は、式（４）を用いて算出される低誘電率層１９の厚さ方向に生じる表面プラズモンのしみだし長に相当する。低誘電率層１９の厚さが式（４）より算出される値を超えた場合には、表面プラズモンを光として取り出すことが困難になる。As the low dielectric constant layer 19, for example, a thin film or a porous film made of SiO 2 , AlF 3 , MgF 2 , Na 3 AlF 6 , NaF, LiF, CaF 2 , BaF 2 , low dielectric constant plastic or the like is used. preferable. The thickness of the low dielectric constant layer 19 is desirably as thin as possible. Note that this allowable maximum value of the thickness corresponds to the oozing length of the surface plasmon generated in the thickness direction of the low dielectric constant layer 19 calculated using Expression (4). When the thickness of the low dielectric constant layer 19 exceeds the value calculated from the equation (4), it is difficult to extract surface plasmons as light.

第４の実施形態における指向性制御層３３においても、プラズモン励起層１７でプラズモン結合を生じさせるために、導光体１２及びキャリア生成層１６を含む入射側部分の実効誘電率は、波数ベクトル変換層１８及び低誘電率層１９と、波数ベクトル変換層１８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設定されている。   Also in the directivity control layer 33 in the fourth embodiment, in order to cause plasmon coupling in the plasmon excitation layer 17, the effective dielectric constant of the incident side portion including the light guide 12 and the carrier generation layer 16 is wave vector conversion. It is set to be higher than the effective dielectric constant of the emission side portion including the layer 18 and the low dielectric constant layer 19 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 18.

以上のように構成された第４の実施形態における指向性制御層３３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、独立した低誘電率層１９を備えることで、プラズモン励起層１７の出射側部分の実効誘電率の調整を容易にすることが可能になる。   According to the directivity control layer 33 in the fourth embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and the plasmon excitation can be achieved by including the independent low dielectric constant layer 19. It becomes possible to easily adjust the effective dielectric constant of the emission side portion of the layer 17.

（第５の実施形態）
図１３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１３に示すように、第５の実施形態における指向性制御層４３は、導光体１２の上に、キャリア生成層１６、誘電率層２０、プラズモン励起層１７、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１８の順に積層されて構成されている。(Fifth embodiment)
In FIG. 13, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 5th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 13, the directivity control layer 43 in the fifth embodiment is a wave vector composed of the carrier generation layer 16, the dielectric constant layer 20, the plasmon excitation layer 17, and the photonic crystal on the light guide 12. The conversion layer 18 is laminated in this order.

したがって、第５の実施形態では、プラズモン励起層１７とキャリア生成層１６との間に、誘電率層２０を独立して備えている点が第１の実施形態と異なっている。この誘電率層２０は、上述の第４の実施形態における低誘電率層１９よりも誘電率が高く設定されているので、以降、高誘電率層２０と称する。高誘電率層２０の誘電率は、プラズモン励起層１７に対する入射側部分の実効誘電率よりも出射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲が許容される。つまり、高誘電率層２０の誘電率が、プラズモン励起層１７に対する出射側部分の実効誘電率よりも大きい必要はない。   Therefore, the fifth embodiment is different from the first embodiment in that the dielectric constant layer 20 is independently provided between the plasmon excitation layer 17 and the carrier generation layer 16. Since the dielectric constant layer 20 is set to have a higher dielectric constant than the low dielectric constant layer 19 in the above-described fourth embodiment, it is hereinafter referred to as a high dielectric constant layer 20. The dielectric constant of the high dielectric constant layer 20 allows a range in which the effective dielectric constant of the exit side portion is kept lower than the effective dielectric constant of the entrance side portion with respect to the plasmon excitation layer 17. That is, the dielectric constant of the high dielectric constant layer 20 does not need to be larger than the effective dielectric constant of the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 17.

高誘電率層２０は、キャリア生成層１６と異なる材料によって形成されてもよい。このため、本実施形態は、キャリア生成層１６の材料選択の自由度を高めることができる。   The high dielectric constant layer 20 may be formed of a material different from that of the carrier generation layer 16. For this reason, this embodiment can raise the freedom degree of material selection of the carrier production | generation layer 16. FIG.

高誘電率層２０としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ2、ＣｅＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2、Ｌａ2Ｏ3、ＮｄＯ3、Ｙ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｎｂ2Ｏ5等の高誘電率材料からなる薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。高誘電率層２０は、導電性を有する材料で形成されるのが好ましい。高誘電率層２０の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。なお、この厚さの許容最大値は、キャリア生成層１６とプラズモン励起層１７との間でプラズモン結合が生じる距離に相当し、式（４）より算出される。Examples of the high dielectric constant layer 20 include diamond, TiO 2 , CeO 2, Ta 2 O 5, ZrO 2 , Sb 2 O 3 , HfO 2 , La 2 O 3 , NdO 3 , Y 2 O 3 , ZnO, and Nb 2 O 5. It is preferable to use a thin film or a porous film made of a high dielectric constant material such as. The high dielectric constant layer 20 is preferably formed of a conductive material. The thickness of the high dielectric constant layer 20 is desirably as thin as possible. The allowable maximum value of the thickness corresponds to the distance at which plasmon coupling occurs between the carrier generation layer 16 and the plasmon excitation layer 17 and is calculated from the equation (4).

第５の実施形態における指向性制御層４３においても、プラズモン励起層１７でプラズモン結合を生じさせるために、導光体１２、キャリア生成層１６及び高誘電率層２０を含む入射側部分の実効誘電率は、波数ベクトル変換層１８と、波数ベクトル変換層１８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設定されている。   Also in the directivity control layer 43 in the fifth embodiment, in order to generate plasmon coupling in the plasmon excitation layer 17, the effective dielectric of the incident side portion including the light guide 12, the carrier generation layer 16, and the high dielectric constant layer 20 is used. The rate is set to be higher than the effective dielectric constant of the emission side portion including the wave vector conversion layer 18 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 18.

以上のように構成された第５の実施形態における指向性制御層４３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、独立した高誘電率層２０を備えることで、プラズモン励起層１７の入射側部分の実効誘電率の調整を容易にすることが可能になる。さらには、キャリア生成層１６で生成されたキャリアがプラズモン励起層１７中で熱損失される割合を低減させることができるため、第１の実施形態よりも高い効率で高指向性化された光を取り出すことが可能である。   According to the directivity control layer 43 in the fifth embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and the plasmon excitation can be achieved by including the independent high dielectric constant layer 20. It is possible to easily adjust the effective dielectric constant of the incident side portion of the layer 17. Furthermore, since the rate at which the carriers generated in the carrier generation layer 16 are thermally lost in the plasmon excitation layer 17 can be reduced, light with higher directivity can be obtained with higher efficiency than in the first embodiment. It is possible to take it out.

（第６の実施形態）
図１４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１４に示すように、指向性制御層５３は、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との間に挟まれて設けられた低誘電率層１９と、キャリア生成層１６とプラズモン励起層１７との間に挟まれて設けられ、低誘電率層１９よりも誘電率が高い高誘電率層２０と、を備えている。(Sixth embodiment)
In FIG. 14, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 6th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 14, the directivity control layer 53 includes a low dielectric constant layer 19 provided between the plasmon excitation layer 17 and the wave vector conversion layer 18, a carrier generation layer 16, and a plasmon excitation layer 17. And a high dielectric constant layer 20 having a dielectric constant higher than that of the low dielectric constant layer 19.

第６の実施形態における指向性制御層５３においても、プラズモン励起層１７でプラズモン結合を生じさせるために、導光体１２、キャリア生成層１６及び高誘電率層２０を含む入射側部分の実効誘電率は、波数ベクトル変換層１８及び低誘電率層１９と、波数ベクトル変換層１８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設定されている。   Also in the directivity control layer 53 in the sixth embodiment, in order to cause plasmon coupling in the plasmon excitation layer 17, the effective dielectric of the incident side portion including the light guide 12, the carrier generation layer 16, and the high dielectric constant layer 20 is used. The rate is set to be higher than the effective dielectric constant of the emission side portion including the wave vector conversion layer 18 and the low dielectric constant layer 19 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 18.

以上のように構成された第６の実施形態における指向性制御層５３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、独立した低誘電率層１９及び高誘電率層２０を備えることで、プラズモン励起層１７の出射側部分の実効誘電率、及びプラズモン励起層１７の入射側部分の実効誘電率のそれぞれの調整を容易にすることが可能になる。また、第６の実施形態における指向性制御層５３も、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらには、キャリア生成層１６で生成されたキャリアがプラズモン励起層１７中で熱損失される割合を低減させることができるため、第１の実施形態よりも高い効率で高指向性化された光を取り出すことが可能である。   According to the directivity control layer 53 in the sixth embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and the independent low dielectric constant layer 19 and high dielectric constant layer 20 can be provided. By providing, it is possible to easily adjust the effective dielectric constant of the emission side portion of the plasmon excitation layer 17 and the effective dielectric constant of the incident side portion of the plasmon excitation layer 17. The directivity control layer 53 in the sixth embodiment can also obtain the same effects as those in the first embodiment. Furthermore, since the rate at which the carriers generated in the carrier generation layer 16 are thermally lost in the plasmon excitation layer 17 can be reduced, light with higher directivity can be obtained with higher efficiency than in the first embodiment. It is possible to take it out.

なお、第６の実施形態では、プラズモン励起層１７の波数ベクトル変換層１８側に低誘電率層１９が配置され、プラズモン励起層１７のキャリア生成層１６側に高誘電率層２０が配置されたが、この構成に限定されるものではない。プラズモン励起層１７の入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１７の出射側部分の実効誘電率よりも高くなる範囲であれば、低誘電率層１９及び高誘電率層２０はどのような誘電率のものを用いてもよい。つまり、低誘電率層１９及び高誘電率層２０以外の層の誘電率によっては、低誘電率層１９よりも高誘電率層２０の誘電率が低い場合もありうる。   In the sixth embodiment, the low dielectric constant layer 19 is disposed on the wave vector conversion layer 18 side of the plasmon excitation layer 17, and the high dielectric constant layer 20 is disposed on the carrier generation layer 16 side of the plasmon excitation layer 17. However, it is not limited to this configuration. What is the low dielectric constant layer 19 and the high dielectric constant layer 20 as long as the effective dielectric constant of the incident side portion of the plasmon excitation layer 17 is higher than the effective dielectric constant of the emission side portion of the plasmon excitation layer 17? A material having a dielectric constant may be used. That is, depending on the dielectric constant of the layers other than the low dielectric constant layer 19 and the high dielectric constant layer 20, the dielectric constant of the high dielectric constant layer 20 may be lower than that of the low dielectric constant layer 19.

（第７の実施形態）
図１５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１５に示すように、第７の実施形態における指向性制御層６３は、第６の実施形態における指向性制御層５３と同様の構成であり、第６の実施形態における低誘電率層１９及び高誘電率層２０が、複数の誘電体層をそれぞれ積層して構成されている点が異なっている。(Seventh embodiment)
FIG. 15 is a perspective view of the directivity control layer included in the light source device of the seventh embodiment. As shown in FIG. 15, the directivity control layer 63 in the seventh embodiment has the same configuration as the directivity control layer 53 in the sixth embodiment, and the low dielectric constant layer 19 in the sixth embodiment and The high dielectric constant layer 20 is different in that it is formed by laminating a plurality of dielectric layers.

つまり、第７の実施形態における指向性制御層６３は、複数の誘電体層２９ａ〜２９ｃが積層されてなる低誘電率層群２９と、複数の誘電体層３０ａ〜３０ｃが積層されてなる高誘電率層群３０と、を備えている。   In other words, the directivity control layer 63 in the seventh embodiment is a high dielectric layer 29 in which a plurality of dielectric layers 29a to 29c are stacked and a plurality of dielectric layers 30a to 30c are stacked. And a dielectric constant layer group 30.

低誘電率層群２９では、プラズモン励起層１７に近い方から波数ベクトル変換層１８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２９ａ〜２９ｃが配置されている。同様に、高誘電率層群３０では、キャリア生成層１６に近い方からプラズモン励起層１７に向かって誘電率が単調に高くなるように、複数の誘電体層３０ａ〜３０ｃが配置されている。   In the low dielectric constant layer group 29, a plurality of dielectric layers 29a to 29c are arranged so that the dielectric constant decreases monotonously from the side closer to the plasmon excitation layer 17 toward the wave vector conversion layer 18 side. Similarly, in the high dielectric constant layer group 30, a plurality of dielectric layers 30 a to 30 c are arranged so that the dielectric constant increases monotonously from the side closer to the carrier generation layer 16 toward the plasmon excitation layer 17.

低誘電率層群２９の全体の厚さは、指向性制御層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に形成されている。同様に、高誘電率層群３０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に形成されている。なお、低誘電率層群２９及び高誘電率層群３０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。   The entire thickness of the low dielectric constant layer group 29 is formed to be equal to the thickness of the low dielectric constant layer in the embodiment in which the directivity control layer includes the low dielectric constant layer independently. Similarly, the entire thickness of the high dielectric constant layer group 30 is formed to the same thickness as the high dielectric constant layer in the embodiment in which the directivity control layer includes the high dielectric constant layer independently. In addition, although the low dielectric constant layer group 29 and the high dielectric constant layer group 30 are each shown with a three-layer structure, they can be configured with a layer structure of about 2 to 5 layers, for example. If necessary, the number of dielectric layers constituting the low dielectric constant layer group and the high dielectric constant layer group may be different, or only one of the low dielectric constant layer and the high dielectric constant layer may include a plurality of dielectric constant layers. It is good also as composition which consists of.

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１７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１６、波数ベクトル変換層１８又は波数ベクトル変換層１８に接する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、高誘電率層群３０は、波数ベクトル変換層１８又は空気等の媒質との界面での屈折率差を小さくし、低誘電率層群２９は、キャリア生成層１６との界面での屈折率差を小さくすることが可能になる。   Thus, the high dielectric constant layer and the low dielectric constant layer are composed of a plurality of dielectric layers, so that the dielectric constant of each dielectric layer adjacent to the interface of the plasmon excitation layer 17 can be set satisfactorily and carrier generation can be performed. It is possible to match the refractive index of the layer 16, the wave vector conversion layer 18 or a medium such as external air in contact with the wave vector conversion layer 18 and the dielectric layers adjacent to each other. That is, the high dielectric constant layer group 30 reduces the refractive index difference at the interface with the wave vector conversion layer 18 or a medium such as air, and the low dielectric constant layer group 29 is refracted at the interface with the carrier generation layer 16. It becomes possible to reduce the rate difference.

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６３によれば、プラズモン励起層１７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１６及び波数ベクトル変換層１８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１１からの光の利用効率を更に高めることができる。   According to the directivity control layer 63 of the sixth embodiment configured as described above, the dielectric constant of each dielectric layer adjacent to the plasmon excitation layer 17 is satisfactorily set, and the carrier generation layer 16 and the wave vector are set. It becomes possible to set the difference in refractive index at the interface with the conversion layer 18 to be small. For this reason, light loss can be further reduced, and the utilization efficiency of light from the light emitting element 11 can be further increased.

なお、低誘電率層群２９及び高誘電率層群３０の代わりに、内部で誘電率が単調に変化する単層膜が用いられてもよい。この構成の場合、高誘電率層は、誘電率がキャリア生成層１６側からプラズモン励起層１７側に向かって次第に高くなる分布を有する。また同様に、低誘電率層は、誘電率がプラズモン励起層１７側から波数ベクトル変換層１８側に向かって次第に低くなる分布を有する。   Instead of the low dielectric constant layer group 29 and the high dielectric constant layer group 30, a single layer film whose dielectric constant changes monotonously inside may be used. In the case of this configuration, the high dielectric constant layer has a distribution in which the dielectric constant gradually increases from the carrier generation layer 16 side toward the plasmon excitation layer 17 side. Similarly, the low dielectric constant layer has a distribution in which the dielectric constant gradually decreases from the plasmon excitation layer 17 side toward the wave vector conversion layer 18 side.

（第８の実施形態）
図１６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１６に示すように、第８の実施形態における指向性制御層７３では、第１の実施形態における指向性制御層１３と同様の構成であり、プラズモン励起層群３７が、積層された複数の金属層３７ａ，３７ｂによって構成されている点が異なっている。(Eighth embodiment)
FIG. 16 is a perspective view of the directivity control layer provided in the light source device of the eighth embodiment. As shown in FIG. 16, the directivity control layer 73 in the eighth embodiment has the same configuration as the directivity control layer 13 in the first embodiment, and a plurality of plasmon excitation layer groups 37 are stacked. The difference is that the metal layers 37a and 37b are formed.

第８の実施形態における指向性制御層７３のプラズモン励起層群３７では、金属層３７ａ、３７ｂ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３７は、プラズマ周波数を調整することが可能になっている。   In the plasmon excitation layer group 37 of the directivity control layer 73 in the eighth embodiment, the metal layers 37a and 37b are respectively formed and stacked with different metal materials. Thereby, the plasmon excitation layer group 37 can adjust the plasma frequency.

プラズモン励起層群３７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３７ａ，３７ｂをそれぞれＡｇ及びＡｌによって形成する。また、プラズモン励起層群３７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３７ａ，３７ｂをそれぞれＡｇ及びＡｕによって形成する。   When adjusting the plasma frequency in the plasmon excitation layer group 37 to be high, for example, the metal layers 37a and 37b are formed of Ag and Al, respectively. Further, when adjusting the plasma frequency in the plasmon excitation layer group 37 to be low, for example, different metal layers 37a and 37b are formed of Ag and Au, respectively.

なお、プラズモン励起層群３７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。また、プラズモン励起層群３７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。   Note that the plasmon excitation layer group 37 has shown a two-layer structure as an example, but it is needless to say that the plasmon excitation layer group 37 may be composed of three or more metal layers as necessary. In addition, the thickness of the plasmon excitation layer group 37 is preferably formed to 200 nm or less, and particularly preferably about 10 nm to 100 nm.

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７３によれば、プラズモン励起層群３７が複数の金属層３７ａ，３７ｂによって構成されることによって、プラズモン励起層群３７における実効的なプラズマ周波数を、キャリア生成層１６からプラズモン励起層群３７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１１から光学素子１に入射する光の利用効率を更に高めることができる。   According to the directivity control layer 73 of the eighth embodiment configured as described above, the plasmon excitation layer group 37 is configured by the plurality of metal layers 37a and 37b, so that the effective plasmon excitation layer group 37 is effective. It is possible to adjust the plasma frequency to be close to the frequency of light incident on the plasmon excitation layer group 37 from the carrier generation layer 16. For this reason, the utilization efficiency of the light which injects into the optical element 1 from the light emitting element 11 can further be improved.

（第９の実施形態）
図１７に、第９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８３では、第１の実施形態におけるプラズモン励起層１７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２７が更に配置されている。(Ninth embodiment)
In FIG. 17, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 9th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 17, in the directivity control layer 83 in the eighth embodiment, in addition to the plasmon excitation layer 17 in the first embodiment, a plasmon excitation layer 27 as another plasmon excitation layer is further arranged. Yes.

第９の実施形態における指向性制御層８３では、キャリア生成層１６と導光体１２との間に、プラズモン励起層２７が配置されている。指向性制御層８３では、導光体１２から入射した光によってプラズモン励起層２７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１６でキャリアの生成が行われる。   In the directivity control layer 83 in the ninth embodiment, the plasmon excitation layer 27 is disposed between the carrier generation layer 16 and the light guide 12. In the directivity control layer 83, plasmons are excited in the plasmon excitation layer 27 by light incident from the light guide 12, and carriers are generated in the carrier generation layer 16 by the excited plasmons.

このとき、プラズモン励起層２７でプラズモン共鳴を生じさせるために、キャリア生成層１６の誘電率を、導光体１２の誘電率よりも低くしている。また、キャリア生成層１６の材料選択の幅を広げるために、プラズモン励起層２７とキャリア生成層１６との間に、複素誘電率の実部が導光体１２よりも低い誘電率層を挟んで設けてもよい。   At this time, in order to cause plasmon resonance in the plasmon excitation layer 27, the dielectric constant of the carrier generation layer 16 is set lower than that of the light guide 12. Further, in order to widen the material selection range of the carrier generation layer 16, a dielectric constant layer whose real part of the complex dielectric constant is lower than that of the light guide 12 is sandwiched between the plasmon excitation layer 27 and the carrier generation layer 16. It may be provided.

なお、プラズモン励起層２７は、キャリア生成層１６を単体で、発光素子１１の光で励起したときに発生する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、プラズモン励起層２７は、発光素子１１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１６が用いられる場合、プラズモン励起層２７は、キャリア生成層１６を単体で、発光素子１１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２７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。   Note that the plasmon excitation layer 27 has a plasma frequency higher than the emission frequency generated when the carrier generation layer 16 is excited alone by the light of the light emitting element 11. The plasmon excitation layer 27 has a plasma frequency higher than the light emission frequency of the light emitting element 11. In addition, when the carrier generation layer 16 having a plurality of different emission frequencies is used, the plasmon excitation layer 27 is one of the different frequencies of the light generated when the carrier generation layer 16 is excited alone with the light of the light emitting element 11. Has a higher plasma frequency. Similarly, when a plurality of types of light emitting elements having different emission frequencies are used, the plasmon excitation layer 27 has a plasma frequency higher than any of the different emission frequencies of the light emitting elements.

このような構成では、キャリア生成層１６にてプラズモンによって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。   In such a configuration, carriers are generated by plasmons in the carrier generation layer 16, so that the fluorescence enhancement effect by plasmons can be used.

以上のように構成された第９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１６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１１からの光の利用効率を更に高めることができる。   According to the ninth embodiment configured as described above, carriers can be efficiently generated in the carrier generation layer 16 due to the fluorescence enhancement effect by plasmons, and the number of carriers can be increased. Utilization efficiency can be further increased.

また、プラズモン励起層２７は、上述した第８の実施形態におけるプラズモン励起層群３７と同様に、複数の金属層が積層されて構成されてもよい。   The plasmon excitation layer 27 may be configured by stacking a plurality of metal layers, like the plasmon excitation layer group 37 in the above-described eighth embodiment.

（第１０の実施形態）
図１８に、第１０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１８に示すように、第１０の実施形態における指向性制御層９３は、第１の実施形態における指向性制御層１３と同様の構成であり、キャリア生成層１６と導光体１２との間に、上述した実施形態における低誘電率層１９と異なる作用を奏する低誘電率層３９を設ける点が異なっている。(Tenth embodiment)
FIG. 18 is a perspective view of the directivity control layer included in the light source device of the tenth embodiment. As shown in FIG. 18, the directivity control layer 93 in the tenth embodiment has the same configuration as the directivity control layer 13 in the first embodiment, and is between the carrier generation layer 16 and the light guide 12. The difference is that a low dielectric constant layer 39 having an action different from that of the low dielectric constant layer 19 in the above-described embodiment is provided.

第１０の実施形態における指向性制御層９３には、キャリア生成層１６の直下に低誘電率層３９が配置されている。低誘電率層３９の誘電率は、導光体１２の誘電率よりも低く設定している。発光素子１１からの入射光は、導光体１２と低誘電率層３９との界面で全反射を起こすように、導光体１２の光入射面１４に対する入射角が所定の角度に設定されている。   In the directivity control layer 93 in the tenth embodiment, a low dielectric constant layer 39 is disposed immediately below the carrier generation layer 16. The dielectric constant of the low dielectric constant layer 39 is set lower than that of the light guide 12. Incident light from the light emitting element 11 is set to a predetermined angle with respect to the light incident surface 14 of the light guide 12 so that total reflection occurs at the interface between the light guide 12 and the low dielectric constant layer 39. Yes.

発光素子１１から導光体１２に入射した入射光は、導光体１２と低誘電率層３９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１６に作用することで、キャリア生成層１６にキャリアが生成される。   Incident light that has entered the light guide 12 from the light emitting element 11 undergoes total reflection at the interface between the light guide 12 and the low dielectric constant layer 39, and an evanescent wave is generated along with this total reflection. The evanescent wave acts on the carrier generation layer 16 to generate carriers in the carrier generation layer 16.

ところで、上述した第１、第３〜第９の実施形態の光源装置では、発光素子１１から出射した光の一部が各層を透過して出射する。そのため、発光素子１１の発光波長とキャリア生成層１６の発光波長に対応し、波長が３０ｎｍ〜３００ｎｍ程度異なる２種類の光がそれぞれ出射している。しかし、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、光源装置からの出射光のうち、発光素子１１の発光波長に対応する光を低減し、キャリア生成層１６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、第９の実施形態によれば、発光素子１１からの光の利用効率を更に高めることができる。   By the way, in the light source devices of the first, third to ninth embodiments described above, part of the light emitted from the light emitting element 11 is transmitted through each layer and emitted. For this reason, two types of light corresponding to the emission wavelength of the light emitting element 11 and the emission wavelength of the carrier generation layer 16 are emitted, each having a wavelength different by about 30 nm to 300 nm. However, as in the present embodiment, by generating carriers only with the evanescent wave, the light corresponding to the emission wavelength of the light emitting element 11 among the light emitted from the light source device is reduced. It becomes possible to increase the light corresponding to the emission wavelength. Therefore, according to the ninth embodiment, the utilization efficiency of the light from the light emitting element 11 can be further increased.

（第１１の実施形態）
以下の各実施形態の指向性制御層において、第２の実施形態における指向制御層１３’と同一の層には、第２の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。(Eleventh embodiment)
In the directivity control layers of the following embodiments, the same layers as those of the directivity control layer 13 ′ in the second embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the second embodiment, and description thereof is omitted.

本実施形態における指向性制御層は、図５Ｂに示した第２の実施形態における高誘電率層２００９の表面に、マイクロレンズアレイを設けたものである。図１９に示すように、指向性制御層２０１４は、マイクロレンズアレイ２０１３を備える構成であっても、波数ベクトル変換層２０１０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。   The directivity control layer in the present embodiment is obtained by providing a microlens array on the surface of the high dielectric constant layer 2009 in the second embodiment shown in FIG. 5B. As shown in FIG. 19, even if the directivity control layer 2014 has a configuration including a microlens array 2013, the same effects as those obtained when a photonic crystal is used as the wave vector conversion layer 2010 can be obtained.

図２０Ａ及び図２０Ｂに、高誘電率層２００９の上にマイクロレンズアレイ２０１３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２０１３を備える構成においても、図７Ａ〜図７Ｅに示した製造方法と同様に、導光体１２に、キャリア生成層２００６から高誘電率層２００９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。   20A and 20B are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the configuration in which the microlens array 2013 is stacked on the high dielectric constant layer 2009. FIG. Even in the configuration including the microlens array 2013, each layer from the carrier generation layer 2006 to the high dielectric constant layer 2009 is laminated on the light guide 12 as in the manufacturing method illustrated in FIGS. 7A to 7E. Description of the manufacturing process is omitted.

図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、図７Ａ〜図７Ｅに示した製造方法を用いて、導光体１２に、キャリア生成層２００６から高誘電率層２００９までの各層を積層した後、高誘電率層２００９の表面にマイクロレンズアレイ２０１３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２００９の表面に、ＵＶ硬化樹脂２０１５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２０１５に所望のレンズアレイパターンを成形し、ＵＶ硬化樹脂２０１５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２０１３が形成される。   As shown in FIGS. 20A and 20B, after the layers from the carrier generation layer 2006 to the high dielectric constant layer 2009 are stacked on the light guide 12 using the manufacturing method shown in FIGS. A microlens array 2013 is formed on the surface of the rate layer 2009. This is merely an example, and the present invention is not limited to this manufacturing method. After the UV curable resin 2015 is applied to the surface of the high dielectric constant layer 2009 by a spin coat method or the like, a desired lens array pattern is formed on the UV curable resin 2015 using nanoimprint, and the UV curable resin 2015 is irradiated with light. Then, the microlens array 2013 is formed by curing.

（第１２の実施形態）
図２１に、第１２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２１に示すように、第６の実施形態における指向性制御層２０１８では、導光体１２の上に、キャリア生成層２０１６、プラズモン励起層２００８、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層２０１７の順に積層されている。(Twelfth embodiment)
In FIG. 21, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 12th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 21, in the directivity control layer 2018 in the sixth embodiment, on the light guide 12, a carrier generation layer 2016, a plasmon excitation layer 2008, and a wave vector conversion layer 2017 made of a photonic crystal are arranged in this order. Are stacked.

第１２の実施形態における指向性制御層２０１８では、波数ベクトル変換層２０１７が第２の実施形態における高誘電率層２００９を兼ねており、キャリア生成層２０１６が第２の実施形態における低誘電率層２００７を兼ねている。したがって、プラズモン励起層２００８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２００８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２０１７の誘電率は、プラズモン励起層２００８の入射側界面に隣接して配置された層であるキャリア生成層２０１６の誘電率よりも高く設定されている。   In the directivity control layer 2018 in the twelfth embodiment, the wave vector conversion layer 2017 also serves as the high dielectric constant layer 2009 in the second embodiment, and the carrier generation layer 2016 is the low dielectric constant layer in the second embodiment. Also serves as 2007. Therefore, in order to generate plasmon coupling in the plasmon excitation layer 2008, the dielectric constant of the wave vector conversion layer 2017, which is a layer disposed adjacent to the emission side interface of the plasmon excitation layer 2008, is the incident side of the plasmon excitation layer 2008. It is set higher than the dielectric constant of the carrier generation layer 2016 which is a layer disposed adjacent to the interface.

以上のように構成された第１２の実施形態の光源装置によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られると共に、第２の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。   According to the light source device of the twelfth embodiment configured as described above, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and further downsizing can be achieved as compared with the second embodiment.

（第１３の実施形態）
図２２に、第１３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２２に示すように、第８の実施形態における指向性制御層２０１９では、導光体１２の上に、キャリア生成層２００６、低誘電率層２００７、プラズモン励起層２００８、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層２０１７の順に積層されている。(13th Embodiment)
In FIG. 22, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 13th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 22, in the directivity control layer 2019 according to the eighth embodiment, the wave number of the carrier generation layer 2006, the low dielectric constant layer 2007, the plasmon excitation layer 2008, and the photonic crystal on the light guide 12. The vector conversion layers 2017 are stacked in this order.

第１３の実施形態における指向性制御層２０１９では、波数ベクトル変換層２０１７が第２の実施形態における高誘電率層２００９を兼ねている。したがって、プラズモン励起層２００８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２０１７の誘電率は、低誘電率層２００７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２０１７の誘電率の方が低誘電率層２００７の誘電率よりも低い場合でも、プラズモン励起層２００８の波数ベクトル変換層２０１７側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２００８の低誘電率層２００７側の実効誘電率の実部よりも高ければ、指向性制御層２０１９は動作する。つまり、波数ベクトル変換層２０１７の誘電率には、プラズモン励起層２００８の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２００８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。   In the directivity control layer 2019 in the thirteenth embodiment, the wave vector conversion layer 2017 also serves as the high dielectric constant layer 2009 in the second embodiment. Therefore, in order to cause plasmon coupling in the plasmon excitation layer 2008, the dielectric constant of the wave vector conversion layer 2017 is set higher than that of the low dielectric constant layer 2007. However, even when the dielectric constant of the wave vector conversion layer 2017 is lower than that of the low dielectric constant layer 2007, the real part of the effective dielectric constant on the wave vector conversion layer 2017 side of the plasmon excitation layer 2008 is the plasmon excitation layer. The directivity control layer 2019 operates if it is higher than the real part of the effective dielectric constant on the low dielectric constant layer 2007 side of 2008. In other words, the real part of the effective dielectric constant of the emission side portion of the plasmon excitation layer 2008 is kept higher than the real part of the effective dielectric constant of the incident side portion of the plasmon excitation layer 2008 in the dielectric constant of the wave vector conversion layer 2017. Range is acceptable.

以上のように構成された第１３の実施形態の光源装置によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られると共に、第２の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。   According to the light source device of the thirteenth embodiment configured as described above, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and further downsizing can be achieved as compared with the second embodiment.

（第１４の実施形態）
図２３に、第１４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２３に示すように、第１４の実施形態における指向性制御層２０２０では、導光体１２の上に、キャリア生成層２０１６、プラズモン励起層２００８、高誘電率層２００９、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層２０１０の順に積層されている。(Fourteenth embodiment)
FIG. 23 is a perspective view of the directivity control layer provided in the light source device of the fourteenth embodiment. As shown in FIG. 23, in the directivity control layer 2020 according to the fourteenth embodiment, the wave number of the carrier generation layer 2016, the plasmon excitation layer 2008, the high dielectric constant layer 2009, and the photonic crystal on the light guide 12. The vector conversion layers 2010 are stacked in this order.

第１４の実施形態における指向性制御層２０２０では、キャリア生成層２０１６が第２の実施形態における低誘電率層２００７を兼ねている。したがって、プラズモン励起層２００８でプラズモン結合を生じさせるために、キャリア生成層２０１６の誘電率は、高誘電率層２００９よりも低く設定されている。ただし、キャリア生成層２０１６の誘電率の方が高誘電率層２００９の誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層２００８のキャリア生成層２０１６側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２００８の高誘電率層２００９側の実効誘電率の実部よりも低ければ、指向性制御層２０２０は動作する。つまり、キャリア生成層２０１６の誘電率には、プラズモン励起層２００８の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層２００８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。   In the directivity control layer 2020 in the fourteenth embodiment, the carrier generation layer 2016 also serves as the low dielectric constant layer 2007 in the second embodiment. Therefore, in order to generate plasmon coupling in the plasmon excitation layer 2008, the dielectric constant of the carrier generation layer 2016 is set lower than that of the high dielectric constant layer 2009. However, even when the dielectric constant of the carrier generation layer 2016 is higher than that of the high dielectric constant layer 2009, the real part of the effective dielectric constant of the plasmon excitation layer 2008 on the carrier generation layer 2016 side is the same as that of the plasmon excitation layer 2008. The directivity control layer 2020 operates if it is lower than the real part of the effective dielectric constant on the high dielectric constant layer 2009 side. That is, the dielectric constant of the carrier generation layer 2016 is a range in which the real part of the effective dielectric constant of the emission side portion of the plasmon excitation layer 2008 is kept higher than the real part of the effective dielectric constant of the incident side portion of the plasmon excitation layer 2008. Is acceptable.

以上のように構成された第１４の実施形態の光源装置によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られると共に、第２の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。   According to the light source device of the fourteenth embodiment configured as described above, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and the size can be further reduced as compared with the second embodiment.

（第１５の実施形態）
図２４に、第１５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２４に示すように、第１５の実施形態における指向性制御層２０３７では、第２の実施形態におけるプラズモン励起層２００８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２０３６が更に配置されている。(Fifteenth embodiment)
In FIG. 24, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 15th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 24, in the directivity control layer 2037 in the fifteenth embodiment, in addition to the plasmon excitation layer 2008 in the second embodiment, a plasmon excitation layer 2036 as another plasmon excitation layer is further arranged. Yes.

第１５の実施形態における指向性制御層２０３７では、キャリア生成層２００６と導光体１２との間に、プラズモン励起層２０３６が配置されている。指向性制御層２０３７では、導光体１２から入射した光によってプラズモン励起層２０３６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２００６でキャリアの生成が行われる。   In the directivity control layer 2037 in the fifteenth embodiment, the plasmon excitation layer 2036 is disposed between the carrier generation layer 2006 and the light guide 12. In the directivity control layer 2037, plasmons are excited in the plasmon excitation layer 2036 by light incident from the light guide 12, and carriers are generated in the carrier generation layer 2006 by the excited plasmons.

このとき、プラズモン励起層２０３６でプラズモン共鳴を生じさせるために、キャリア生成層２００６の誘電率を、導光体１２の誘電率よりも低くしている。また、キャリア生成層２００６の材料選択の幅を広げるために、プラズモン励起層２０３６とキャリア生成層２００６との間に、複素誘電率の実部が導光体１２よりも低い誘電率層を挟んで設けてもよい。ここで、プラズモン励起層２０３６の導光体１２側の実効誘電率が、プラズモン励起層２０３６のキャリア生成層２００６側の実効誘電率よりも高い必要がある。   At this time, in order to generate plasmon resonance in the plasmon excitation layer 2036, the dielectric constant of the carrier generation layer 2006 is set lower than that of the light guide 12. Further, in order to widen the material selection range of the carrier generation layer 2006, a dielectric constant layer having a real part of a complex dielectric constant lower than that of the light guide 12 is sandwiched between the plasmon excitation layer 2036 and the carrier generation layer 2006. It may be provided. Here, the effective dielectric constant of the plasmon excitation layer 2036 on the light guide 12 side needs to be higher than the effective dielectric constant of the plasmon excitation layer 2036 on the carrier generation layer 2006 side.

なお、プラズモン励起層２００８は、キャリア生成層２００６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２０３６は、発光素子１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２００６が用いられる場合、プラズモン励起層２００８は、キャリア生成層２００６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２０３６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。   Note that the plasmon excitation layer 2008 has a plasma frequency higher than the frequency of light generated when the carrier generation layer 2006 is excited alone with the light of the light emitting element 1. The plasmon excitation layer 2036 has a plasma frequency higher than the light emission frequency of the light emitting element 1. In the case where the carrier generation layer 2006 having a plurality of different emission frequencies is used, the plasmon excitation layer 2008 can be any one of the different frequencies of light generated when the carrier generation layer 2006 is excited by the light of the light emitting element 1 alone. Has a higher plasma frequency. Similarly, when a plurality of types of light emitting elements having different emission frequencies are used, the plasmon excitation layer 2036 has a plasma frequency higher than any of the different emission frequencies of the light emitting elements.

ここで、発光素子１からの光がプラズモン励起層２０３６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１からプラズモン励起層２０３６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２０３６のキャリア生成層２００６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２０３６のキャリア生成層２００６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。   Here, in order for light from the light emitting element 1 to be coupled with plasmons at the interface of the plasmon excitation layer 2036, there is a condition on an incident angle of light incident on the plasmon excitation layer 2036 from the light emitting element 1. Of the wave number vector of incident light on the carrier generation layer 2006 side of the plasmon excitation layer 2036, the incident angle at which the component parallel to the interface coincides with the component parallel to the surface plasmon interface on the carrier generation layer 2006 side of the plasmon excitation layer 2036. Therefore, it is necessary to make light incident.

このような構成によって、キャリア生成層２００６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。   With such a configuration, carriers are generated by plasmons in the carrier generation layer 2006, so that the fluorescence enhancement effect by plasmons can be used.

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２００６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。   According to the fifth embodiment configured as described above, carriers can be efficiently generated in the carrier generation layer 2006 due to the fluorescence enhancement effect by plasmons, and the number of carriers can be increased. Utilization efficiency can be further increased.

（第１６の実施形態）
図２５に、第１６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２５に示すように、第１６の実施形態における指向性制御層２０４０は、第２の実施形態における指向性制御層１３’と同様の構成であり、第２の実施形態における低誘電率層２００７及び高誘電率層２００９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。(Sixteenth embodiment)
FIG. 25 is a perspective view of the directivity control layer included in the light source device of the sixteenth embodiment. As shown in FIG. 25, the directivity control layer 2040 in the sixteenth embodiment has the same configuration as the directivity control layer 13 ′ in the second embodiment, and the low dielectric constant layer 2007 in the second embodiment. And the high dielectric constant layer 2009 is configured by a plurality of laminated dielectric layers.

つまり、第１６の実施形態における指向性制御層２０４０は、複数の誘電体層２０３８ａ〜２０３８ｃが積層されてなる低誘電率層群２０３８と、複数の誘電体層２０３９ａ〜２０３９ｃが積層されてなる高誘電率層群２０３９と、を備えている。   That is, the directivity control layer 2040 in the sixteenth embodiment is a high dielectric layer 2038c in which a plurality of dielectric layers 2038a to 2038c are stacked and a plurality of dielectric layers 2039a to 2039c are stacked. And a dielectric constant layer group 2039.

低誘電率層群２０３８では、キャリア生成層２００６に近い方からプラズモン励起層２００８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２０３８ａ〜２０３８ｃが配置されている。同様に、高誘電率層群２０３９では、プラズモン励起層２００８に近い方からフォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層２０１０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２０３９ａ〜２０３９ｃが配置されている。   In the low dielectric constant layer group 2038, a plurality of dielectric layers 2038a to 2038c are arranged so that the dielectric constant decreases monotonously from the side closer to the carrier generation layer 2006 toward the plasmon excitation layer 2008. Similarly, in the high dielectric constant layer group 2039, a plurality of dielectric layers 2039a to 2039a are arranged so that the dielectric constant decreases monotonously from the side closer to the plasmon excitation layer 2008 toward the wave vector conversion layer 2010 made of photonic crystal. 2039c is arranged.

低誘電率層群２０３８の全体の厚さは、指向性制御層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２０３９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２０３８及び高誘電率層群２０３９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。   The total thickness of the low dielectric constant layer group 2038 is equal to the thickness of the low dielectric constant layer in the embodiment in which the directivity control layer includes the low dielectric constant layer independently. Similarly, the total thickness of the high dielectric constant layer group 2039 is the same as that of the high dielectric constant layer in the embodiment in which the directivity control layer includes the high dielectric constant layer independently. Note that the low dielectric constant layer group 2038 and the high dielectric constant layer group 2039 are each shown in a three-layer structure, but can be formed in a layer structure of about 2 to 5 layers, for example. If necessary, the number of dielectric layers constituting the low dielectric constant layer group and the high dielectric constant layer group may be different, or only one of the low dielectric constant layer and the high dielectric constant layer may include a plurality of dielectric constant layers. It is good also as composition which consists of.

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２００８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２００６、波数ベクトル変換層２０１０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２０３９は、波数ベクトル変換層２０１０又は空気等の媒質との界面での屈折率差を小さくし、低誘電体層群２０３８は、キャリア生成層２００６との界面での屈折率差を小さくすることが可能になる。   In this way, the high dielectric constant layer and the low dielectric constant layer are composed of a plurality of dielectric layers, so that the dielectric constant of each dielectric layer adjacent to the interface of the plasmon excitation layer 2008 can be set satisfactorily and carrier generation can be performed. It becomes possible to match the refractive index of the layer 2006, the wave vector conversion layer 2010, or a medium such as external air, and the dielectric layers adjacent to them. That is, the high dielectric layer group 2039 reduces the refractive index difference at the interface with the wave vector conversion layer 2010 or a medium such as air, and the low dielectric layer group 2038 is refracted at the interface with the carrier generation layer 2006. It becomes possible to reduce the rate difference.

以上のように構成された第１６の実施形態の指向性制御層２０４０によれば、プラズモン励起層２００８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２００６及び波数ベクトル変換層２０１０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１からの光の利用効率を更に高めることができる。   According to the directivity control layer 2040 of the sixteenth embodiment configured as described above, the dielectric constant of each dielectric layer adjacent to the plasmon excitation layer 2008 is set satisfactorily, and the carrier generation layer 2006 and the wave vector are set. The refractive index difference at the interface with the conversion layer 2010 can be set small. For this reason, the optical loss can be further reduced, and the utilization efficiency of the light from the light emitting element 1 can be further increased.

なお、低誘電率層群２０３８及び高誘電率層群２０３９の代わりに、内部で誘電率が単調に変化する単層膜が用いてもよい。この構成の場合、高誘電率層は、誘電率がプラズモン励起層２００７側から波数ベクトル変換層２０１０側に向かって次第に低くなる分布を有する。また同様に、低誘電率層は、誘電率がキャリア生成層２００６側からプラズモン励起層２００７側に向かって次第に低くなる分布を有する。   Instead of the low dielectric constant layer group 2038 and the high dielectric constant layer group 2039, a single layer film whose dielectric constant changes monotonously inside may be used. In this configuration, the high dielectric constant layer has a distribution in which the dielectric constant gradually decreases from the plasmon excitation layer 2007 side toward the wave vector conversion layer 2010 side. Similarly, the low dielectric constant layer has a distribution in which the dielectric constant gradually decreases from the carrier generation layer 2006 side toward the plasmon excitation layer 2007 side.

（第１７の実施形態）
図２６に、第１７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２６に示すように、第７の実施形態における指向性制御層２０４２は、第２の実施形態における指向性制御層１３’と同様の構成であり、キャリア生成層２００６と導光体１２との間に、別の低誘電率層２０４１を設ける点が異なっている。(Seventeenth embodiment)
In FIG. 26, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 17th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 26, the directivity control layer 2042 in the seventh embodiment has the same configuration as the directivity control layer 13 ′ in the second embodiment, and includes the carrier generation layer 2006 and the light guide body 12. The difference is that another low dielectric constant layer 2041 is provided therebetween.

第１７の実施形態における指向性制御層２０４２では、キャリア生成層２００６の直下に低誘電率層２０４１が配置されている。低誘電率層２０４１の誘電率は、導光体１２の誘電率よりも低く設定している。発光素子１からの入射光は、導光体１２と低誘電率層２０４１との界面で全反射を起こすように、導光体１２の光入射面１４に対する入射角を所定の角度に設定している。   In the directivity control layer 2042 in the seventeenth embodiment, the low dielectric constant layer 2041 is disposed immediately below the carrier generation layer 2006. The dielectric constant of the low dielectric constant layer 2041 is set lower than the dielectric constant of the light guide 12. Incident light from the light emitting element 1 is set to a predetermined angle with respect to the light incident surface 14 of the light guide 12 so that total reflection occurs at the interface between the light guide 12 and the low dielectric constant layer 2041. Yes.

発光素子１から導光体１２に入射した入射光は、導光体１２と低誘電率層２０４１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２００６に作用することで、キャリア生成層２００６にキャリアが生成される。   Incident light that has entered the light guide 12 from the light emitting element 1 undergoes total reflection at the interface between the light guide 12 and the low dielectric constant layer 2041, and an evanescent wave is generated along with this total reflection. Carriers are generated in the carrier generation layer 2006 by the evanescent wave acting on the carrier generation layer 2006.

ところで、上述した第２、第１１から第１５の実施形態の光源装置では、発光素子１から出射した光の一部が各層を透過して出射する。そのため、発光素子１の発光波長とキャリア生成層２００６の発光波長に対応し、波長が３０ｎｍ〜３００ｎｍ程度異なる２種類の光がそれぞれ出射している。しかし、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２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２００６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、第１７の実施形態によれば、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。   By the way, in the light source devices of the second, eleventh to fifteenth embodiments described above, part of the light emitted from the light emitting element 1 is transmitted through each layer and emitted. For this reason, two types of light corresponding to the emission wavelength of the light-emitting element 1 and the emission wavelength of the carrier generation layer 2006 are emitted, each having a wavelength different by about 30 nm to 300 nm. However, as in the present embodiment, by generating carriers only with the evanescent wave, the light corresponding to the emission wavelength of the light emitting element 1 among the light emitted from the light source device 2 is reduced, and the carrier generation layer 2006 is reduced. It becomes possible to increase the light corresponding to the emission wavelength. Therefore, according to the seventeenth embodiment, the utilization efficiency of light from the light emitting element 1 can be further increased.

（第１８の実施形態）
図２７に、第１８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２７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２の実施形態における指向性制御層１３’と同様の構成であり、プラズモン励起層群２０４４が、積層された複数の金属層２０４４ａ，２０４４ｂによって構成されている点が異なっている。(Eighteenth embodiment)
FIG. 27 is a perspective view of the directivity control layer provided in the light source device of the eighteenth embodiment. As shown in FIG. 27, the directivity control layer 45 in the eighth embodiment has the same configuration as that of the directivity control layer 13 ′ in the second embodiment, and a plurality of plasmon excitation layer groups 2044 are stacked. The metal layers 2044a and 2044b are different.

第１８の実施形態における指向性制御層２０４５のプラズモン励起層群２０４４では、金属層２０４４ａ、２０４４ｂ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２０４４は、プラズマ周波数を調整することが可能になっている。   In the plasmon excitation layer group 2044 of the directivity control layer 2045 in the eighteenth embodiment, the metal layers 2044a and 2044b are formed of different metal materials and stacked. Thereby, the plasmon excitation layer group 2044 can adjust the plasma frequency.

プラズモン励起層２０４４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２０４４ａ，２０４４ｂ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２０４４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２０４４ａ，２０４４ｂ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２０４４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。   In the case of adjusting the plasma frequency in the plasmon excitation layer 2044 to be high, for example, the metal layers 2044a and 2044b are formed of Ag and Al, respectively. Further, when adjusting the plasma frequency in the plasmon excitation layer 2044 to be low, for example, different metal layers 2044a and 2044b are formed of Ag and Au, respectively. Although the plasmon excitation layer 2044 has a two-layer structure as an example, it is needless to say that the plasmon excitation layer 2044 may be formed of three or more metal layers as necessary.

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２０４５によれば、プラズモン励起層２０４４が複数の金属層２０４４ａ，２０４４ｂによって構成されることによって、プラズモン励起層２０４４における実効的なプラズマ周波数を、キャリア生成層２００６からプラズモン励起層２０４４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１に入射する光の利用効率を更に高めることができる。   According to the directivity control layer 2045 of the eighth embodiment configured as described above, since the plasmon excitation layer 2044 is configured by the plurality of metal layers 2044a and 2044b, effective plasma in the plasmon excitation layer 2044 is obtained. The frequency can be adjusted to be close to the frequency of light incident on the plasmon excitation layer 2044 from the carrier generation layer 2006. For this reason, the utilization efficiency of the light which injects into the optical element 1 from the light emitting element 1 can further be improved.

（第１９の実施形態）
図２８に、第１９の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図２８に示すように、第１９の実施形態の光源装置では、光学素子１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１１からの入射光を直線偏光する軸対称偏光用１／２波長板２２６を備えている。光源装置２からの出射光を軸対称偏光用１／２波長板２２６によって直線偏光することで、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１８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。(Nineteenth embodiment)
FIG. 28 is a perspective view of the light source device of the nineteenth embodiment. As shown in FIG. 28, in the light source device of the nineteenth embodiment, an axis that linearly polarizes incident light from the optical element 11 as a polarization conversion element that aligns axially symmetric polarized light incident from the optical element 1 in a predetermined polarization state. A symmetric polarizing half-wave plate 226 is provided. The light emitted from the light source device 2 is linearly polarized by the axisymmetric polarization half-wave plate 226, thereby realizing a light source device in which the polarization state of the emitted light is uniform. Note that aligning axially symmetric polarized light in a predetermined polarization state by the polarization conversion element is not limited to linearly polarized light but also includes circularly polarized light. Of course, any of the directivity control layers in the first to eighteenth embodiments described above may be applied as the directivity control layer.

図２９に、軸対称偏光用１／２波長板２２６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２９に示すように、軸対称偏光用１／２波長板２２６は、配向膜２２８，２３１がそれぞれ形成された一対のガラス基板２２７，２３２と、これらガラス基板２２７，２３２の配向膜２２８，２３１を対向させてガラス基板２２７，２３２の間に挟んで配置された液晶層２３０と、ガラス基板２２７，２３２の間に配置されたスペーサ２２９と、を備えている。   FIG. 29 is a longitudinal sectional view of the structure of the half-wave plate 226 for axially symmetric polarization. The configuration of the axially symmetric polarizing half-wave plate is merely an example, and is not limited to this configuration. As shown in FIG. 29, the axially symmetric polarizing half-wave plate 226 includes a pair of glass substrates 227 and 232 on which alignment films 228 and 231 are formed, and alignment films 228 and 231 of the glass substrates 227 and 232, respectively. And a spacer 229 disposed between the glass substrates 227 and 232, and a liquid crystal layer 230 disposed between the glass substrates 227 and 232.

液晶層２３０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２３０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。   The liquid crystal layer 230 has a refractive index ne larger than the refractive index no, where no is the refractive index for ordinary light and ne is the refractive index for extraordinary light. Further, the thickness d of the liquid crystal layer 230 satisfies (ne−no) × d = λ / 2. Note that λ is the wavelength of incident light in a vacuum.

図３０Ａ及び図３０Ｂに、軸対称偏光用１／２波長板２２６を説明するための模式図を示す。図３０Ａに、軸対称偏光用１／２波長板３６の液晶層２３０を、ガラス基板２３２の主面に平行に切った状態の横断面図を示す。図３０Ｂに、液晶分子２３３の配向方向を説明するための模式図を示す。   30A and 30B are schematic views for explaining the axially symmetric polarizing half-wave plate 226. FIG. 30A shows a cross-sectional view of a state in which the liquid crystal layer 230 of the half-wave plate 36 for axially symmetric polarization is cut parallel to the main surface of the glass substrate 232. FIG. 30B is a schematic diagram for explaining the alignment direction of the liquid crystal molecules 233.

図３０Ａに示すように、液晶分子２３３は、軸対称偏光用１／２波長板２２６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２３３は、図３０Ｂに示すように、液晶分子２３３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２３３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３０Ａと図３０Ｂは同一面内を示している。   As shown in FIG. 30A, the liquid crystal molecules 233 are arranged concentrically with respect to the center of the axially symmetric polarizing half-wave plate 226. In addition, as shown in FIG. 30B, the liquid crystal molecule 233 has an angle formed between the principal axis of the liquid crystal molecule 233 and a coordinate axis in the vicinity of the principal axis as Φ, and an angle formed between the coordinate axis and the polarization direction as θ. , Θ = 2Φ, or θ = 2Φ-180. Here, FIG. 30A and FIG. 30B show the same plane.

図３１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２３５を示す。上述した第１〜第１８の実施形態において、プラズモン励起層８、２００８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２３５が、図３１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。   FIG. 31 shows a far-field pattern 235 of emitted light in a case where the light source device does not include an axisymmetric polarizing half-wave plate. In the above-described first to eighteenth embodiments, the polarization in which plasmon coupling occurs in the plasmon excitation layers 8 and 2008 is only P-polarized light. Therefore, the far-field pattern 235 of the emitted light from the light source device is shown in FIG. Thus, it becomes an axially symmetric polarization in which the polarization direction is radial.

図３２に、軸対称偏光用１／２波長板２２６を通過した出射光のファーフィールドパターン２３８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２２６を用いることで、図３２に示すように、偏光方向２３７が揃えられた出射光が得られる。   FIG. 32 shows a far field pattern 238 of the emitted light that has passed through the half-wave plate 226 for axially symmetric polarization. According to the present embodiment, by using the above-described half-wave plate for axially symmetric polarization 226, as shown in FIG. 32, emitted light with the polarization direction 237 aligned can be obtained.

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。   The light source device of this embodiment is suitable for use as a light source device of an image display device, and is used as a light source device provided in a projection display device, a direct light source device of a liquid crystal panel (LCD), a so-called backlight. You may use for electronic devices, such as a portable telephone and PDA (Personal Data Assistant).

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３３に、実施形態の投射型表示装置の模式図を示す。   Finally, an LED projector as a projection display device to which the light source device of the above-described embodiment is applied will be briefly described. FIG. 33 is a schematic diagram of the projection display device of the embodiment.

図３３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２と、この光学素子２からの出射光が入射する液晶パネル２５２と、この液晶パネル２５２からの出射光をスクリーン等の投射面２５５上に投射する投射レンズを含む投射光学系２５３と、を備えている。   As shown in FIG. 33, the LED projector according to the embodiment includes the optical element 2 according to the above-described embodiment, a liquid crystal panel 252 on which light emitted from the optical element 2 is incident, and light emitted from the liquid crystal panel 252 on a screen. And a projection optical system 253 including a projection lens that projects onto the projection surface 255.

ＬＥＤプロジェクタが備える光源装置１は、指向性制御層が設けられた導光体１２の一側面に、赤（Ｒ）光用ＬＥＤ２５７Ｒ、緑（Ｇ）光用ＬＥＤ２５７Ｇ、及び青（Ｂ）光用ＬＥＤ２５７Ｂがそれぞれ配置されている。光源装置２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。   The light source device 1 included in the LED projector has a red (R) light LED 257R, a green (G) light LED 257G, and a blue (B) light LED 257B on one side surface of the light guide 12 provided with the directivity control layer. Are arranged respectively. The carrier generation layer included in the directivity control layer of the light source device 2 includes phosphors for red (R) light, green (G) light, and blue (B) light.

図３４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３４に示すように、Ｒ光用ＬＥＤ２５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ２５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ２５７Ｂ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、Ｇｒ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ＬＥＤ２５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ２５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ２５７Ｂ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。   FIG. 34 shows the relationship between the wavelength of the light-emitting element 1 used in the LED projector of the embodiment and the intensity of the excitation wavelength and emission wavelength of the phosphor. As shown in FIG. 34, the emission wavelengths Rs, Gs, and Bs of the R light LED 257R, the G light LED 257G, and the B light LED 257B and the excitation wavelengths Ra, Ga, and Ba of the phosphor are set to be approximately equal to each other. The emission wavelengths Rs, Gs, and Bs and the excitation wavelengths Ra, Ga, and Ba are set so that the emission wavelengths Rr, Gr, and Gr of the phosphor do not overlap each other. In addition, the emission spectrum of each of the R light LED 257R, the G light LED 257G, and the B light LED 257B is set to match the excitation spectrum of each phosphor or to be within the excitation spectrum. Further, the emission spectrum of the phosphor is set so as not to overlap with any excitation spectrum of the phosphor.

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ＬＥＤ２５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ２５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ２５７Ｂのいずれか１つのみが発光するように切り換えられる。   The LED projector employs a time-sharing method, and is switched so that only one of the R light LED 257R, the G light LED 257G, and the B light LED 257B emits light by a control circuit unit (not shown).

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２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。   According to the LED projector of the present embodiment, the luminance of the projected video can be improved by including the light source device 2 of the above-described embodiment.

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。   In addition, although the structural example of the single plate type liquid crystal projector was given as the LED projector of the embodiment, it is needless to say that the present invention may be applied to a three plate type liquid crystal projector including a liquid crystal panel for each of R, G, and B.

また、各実施形態は導光体を備えるものを挙げて説明したが、導光体は必須の構成要素ではなく、導光体の代わりに発光素子の発光面をキャリア生成層に近接して配してもよい。さらに、発光素子が空間を隔てて配置され、発光素子からの光がキャリア生成層に照射される構成としてもよく、発光素子も必須の構成要素ではない。   Each embodiment has been described with reference to a light guide. However, the light guide is not an essential component, and instead of the light guide, the light emitting surface of the light emitting element is arranged close to the carrier generation layer. May be. Further, the light-emitting element may be arranged with a space therebetween, and the light from the light-emitting element may be applied to the carrier generation layer, and the light-emitting element is not an essential component.

また、光学素子は、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配置され、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、を備え、プラズモン励起層のキャリア生成層側の面が粗面であるものでも良い。   The optical element is disposed on the carrier generation layer where carriers are generated by light, and a plasma frequency higher than the frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light from the light emitting element. The surface of the plasmon excitation layer on the carrier generation layer side may be a rough surface.

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る。
この出願は２０１１年９月２７日に出願された日本出願特願２０１１−２１１５８６号、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２−１３２３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。The present invention has been described above with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2011-212586 filed on September 27, 2011 and Japanese Patent Application No. 2012-1323 filed on January 6, 2012 The entire disclosure of which is incorporated herein.

１ 光学素子
２ 光源装置
１１ 発光素子DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical element 2 Light source device 11 Light emitting element

Claims (31)

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配置され、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、
前記プラズモン励起層の上に配置され、前記プラズモン励起層から出射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、
前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側の面が粗面である光学素子。A carrier generation layer in which carriers are generated by light;
A plasmon excitation layer disposed on the carrier generation layer and having a plasma frequency higher than a frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light of the light emitting element;
An emission layer that is disposed on the plasmon excitation layer and converts the light emitted from the plasmon excitation layer or the surface plasmon into light of a predetermined emission angle and emits the light, and
An optical element having a rough surface on the carrier generation layer side of the plasmon excitation layer. 発光素子と、
発光素子からの光が入射する導光体と、を備え、
前記キャリア生成層は、前記導光体の上に設けられ、前記導光体からの光によってキャリアが生成される請求項１記載の光学素子。A light emitting element;
A light guide for receiving light from the light emitting element,
The optical element according to claim 1, wherein the carrier generation layer is provided on the light guide, and carriers are generated by light from the light guide. 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導光体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、請求項２に記載の光学素子。   The optical element according to claim 2, further comprising a dielectric constant layer provided adjacent to at least one side of the emission layer side of the plasmon excitation layer and the light guide side of the plasmon excitation layer. 前記導光体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、請求項２または３に記載の光学素子。   The optical element according to claim 2, further comprising another plasmon excitation layer provided between the light guide and the carrier generation layer and having a plasma frequency higher than the frequency of the light emitting element. 前記導光体の前記キャリア生成層側に隣接して設けられ、前記導光体よりも誘電率が低い低誘電率層を備え、
前記キャリア生成層は、前記導光体からの光が前記キャリア生成層との界面で全反射したときに生じるエヴァネッセント波によってキャリアを生成する、請求項２ないし４のいずれか１項に記載の光学素子。Provided adjacent to the carrier generation layer side of the light guide, comprising a low dielectric constant layer having a lower dielectric constant than the light guide,
5. The carrier generation layer according to claim 2, wherein the carrier generation layer generates carriers by an evanescent wave generated when light from the light guide is totally reflected at an interface with the carrier generation layer. 6. Optical elements. 前記出射層は、表面周期構造を有している、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the emission layer has a surface periodic structure. 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５のいずれか１に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the emission layer is made of a photonic crystal. 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、請求項１、２、３、５ないし７のいずれか１項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the plasmon excitation layer is configured by laminating a plurality of metal layers made of different metal materials. 前記プラズモン励起層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌのうちのいずれか１つ、またはこれらのうちの少なくとも１つを含む合金からなる、請求項１、２、３、５ないし７のいずれか１項に記載の光学素子。   The plasmon excitation layer is made of any one of Ag, Au, Cu, Pt, and Al, or an alloy containing at least one of these, 8. 2. The optical element according to item 1. 請求項２ないし９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、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の前記導光体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も高い、光学素子。The optical element according to any one of claims 2 to 9,
The plasmon excitation layer is sandwiched between two layers having dielectric properties,
The effective dielectric constant of the incident side portion including the entire structure laminated on the light guide body side of the plasmon excitation layer is the entire structure laminated on the emission layer side of the plasmon excitation layer, and a medium in contact with the emission layer An optical element that is higher than the effective dielectric constant of the exit side portion including 前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電率層の間に挟まれ、
前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する前記誘電率層は、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率層よりも誘電率が高い、請求項１０に記載の光学素子。The plasmon excitation layer is sandwiched between a pair of dielectric layers,
The optical element according to claim 10, wherein the dielectric constant layer adjacent to the light guide body side of the plasmon excitation layer has a higher dielectric constant than the dielectric constant layer adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer. 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項１０に記載の光学素子。   The dielectric constant layer provided adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer is configured by laminating a plurality of dielectric layers having different dielectric constants, and the plurality of dielectric layers are formed of the plasmon excitation layer. The optical element according to claim 10, wherein the optical element is arranged so that a dielectric constant decreases in order from the side toward the emission layer side. 前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接して設けられた前記誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かう順に誘電率が高くなるように配置されている、請求項１０に記載の光学素子。   The dielectric constant layer provided adjacent to the light guide body side of the plasmon excitation layer is configured by laminating a plurality of dielectric layers having different dielectric constants, and the plurality of dielectric layers are formed by the carrier generation layer. The optical element of Claim 10 arrange | positioned so that a dielectric constant may become high in order from the side to the said plasmon excitation layer side. 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、誘電率が前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かって次第に低くなる分布を有している、請求項１０に記載の光学素子。   The dielectric constant layer provided adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer has a distribution in which a dielectric constant gradually decreases from the plasmon excitation layer side toward the emission layer side. The optical element according to 10. 前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接して設けられた前記誘電率層は、誘電率が前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かって次第に高くなる分布を有する、請求項１０に記載の光学素子。   The dielectric constant layer provided adjacent to the light guide body side of the plasmon excitation layer has a distribution in which a dielectric constant gradually increases from the carrier generation layer side toward the plasmon excitation layer side. The optical element described. 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、多孔質層である、請求項１０ないし１２、１４のいずれか１項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 10, wherein the dielectric constant layer provided adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer is a porous layer. 請求項２ないし９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、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の前記導光体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も低い、光学素子。The optical element according to any one of claims 2 to 9,
The plasmon excitation layer is sandwiched between two layers having dielectric properties,
The effective dielectric constant of the incident side portion including the entire structure laminated on the light guide body side of the plasmon excitation layer is the entire structure laminated on the emission layer side of the plasmon excitation layer, and a medium in contact with the emission layer An optical element that is lower than the effective dielectric constant of the exit side portion including 前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電率層の間に挟まれ、
前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する前記誘電率層は、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率層よりも誘電率が低い、請求項１７に記載の光学素子。The plasmon excitation layer is sandwiched between a pair of dielectric layers,
The optical element according to claim 17, wherein the dielectric constant layer adjacent to the light guide body side of the plasmon excitation layer has a lower dielectric constant than the dielectric constant layer adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer. 前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する層よりも誘電率が低い低誘電率層である、請求項１７に記載の光学素子。   The dielectric constant layer provided adjacent to the light guide body side of the plasmon excitation layer is a low dielectric constant layer having a lower dielectric constant than a layer adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer. The optical element according to 17. 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する層よりも誘電率が高い高誘電率層である、請求項１７に記載の光学素子。   The dielectric constant layer provided adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer is a high dielectric constant layer having a higher dielectric constant than a layer adjacent to the light guide side of the plasmon excitation layer. The optical element according to 17. 前記低誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項１９に記載の光学素子。   The low dielectric constant layer is formed by laminating a plurality of dielectric layers having different dielectric constants, and the dielectric constant of the plurality of dielectric layers decreases from the carrier generation layer side toward the plasmon excitation layer side. The optical element according to claim 19, arranged as follows. 前記高誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項２０に記載の光学素子。   The high dielectric constant layer is formed by laminating a plurality of dielectric layers having different dielectric constants, and the dielectric constant of the plurality of dielectric layers decreases in order from the plasmon excitation layer side to the emission layer side. The optical element according to claim 20, which is disposed in 前記低誘電率層は、誘電率が前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かって次第に低くなる分布を有している、請求項１９に記載の光学素子。   The optical element according to claim 19, wherein the low dielectric constant layer has a distribution in which a dielectric constant gradually decreases from the carrier generation layer side toward the plasmon excitation layer side. 前記高誘電率層は、誘電率が前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かって次第に低くなる分布を有する、請求項２０に記載の光学素子。   The optical element according to claim 20, wherein the high dielectric constant layer has a distribution in which a dielectric constant gradually decreases from the plasmon excitation layer side toward the emission layer side. 前記低誘電率層は、多孔質層である、請求項１９、２１、２３のいずれか１項に記載の光学素子。   The optical element according to any one of claims 19, 21, and 23, wherein the low dielectric constant layer is a porous layer. 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１０ないし２５のいずれかに記載の光学素子。The effective dielectric constant is
Dielectric constant distribution of the dielectric of the incident side portion or the emission side portion;
A distribution of surface plasmons in a direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer at the incident side portion or the emission side portion;
The optical element according to claim 10, wherein the optical element is determined based on the above. 請求項１０ないし２６のいずれか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εeffであって、該実効誘電率εeff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kspp,z、虚数単位をｊとすれば、
Figure 2013046865
 または、
Figure 2013046865
 を満たし、
かつ、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppが、
前記プラズモン励起層の誘電率をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
Figure 2013046865
Figure 2013046865
 を満たしている光学素子。The optical element according to any one of claims 10 to 26,
The effective dielectric constant is an effective dielectric constant ε eff , and the effective dielectric constant ε eff is
The direction parallel to the interface of the plasmon excitation layer is the x axis and the y axis, the direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer is the z axis, the angular frequency of light emitted from the carrier generation layer is ω, the incident side portion or The dielectric constant distribution of the dielectric on the exit side is ε (ω, x, y, z), the integration range D is the range of the three-dimensional coordinates of the entrance side or the exit side, and the z component of the wave number of the surface plasmon Is k spp, z and the imaginary unit is j,
Figure 2013046865
 Or
Figure 2013046865
 The filling,
And the z-component k spp, z of the wave number of the surface plasmon, the x- and y-components k spp of the wave number of the surface plasmon,
If the dielectric constant of the plasmon excitation layer is ε metal and the wave number of light in vacuum is k 0 ,
Figure 2013046865
Figure 2013046865
 An optical element that meets the requirements. 請求項２ないし２７のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記導光体の外周部に配置された発光素子と、を備える光源装置。An optical element according to any one of claims 2 to 27;
A light source device comprising: a light emitting element disposed on an outer periphery of the light guide. 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、請求項２８に記載の光源装置。   The light source device according to claim 28, further comprising a polarization conversion element that aligns axially symmetric polarized light incident from the optical element in a predetermined polarization state. 請求項２８または２９に記載の光源装置と、
前記光源装置からの出射光を変調する表示素子と、
前記表示素子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。A light source device according to claim 28 or 29;
A display element that modulates light emitted from the light source device;
A projection display system comprising: a projection optical system that projects a projected image by light emitted from the display element. 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配置され、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、を備え、
前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側の面が粗面である光学素子。A carrier generation layer in which carriers are generated by light;
A plasmon excitation layer disposed on the carrier generation layer and having a plasma frequency higher than a frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light of the light emitting element, and
An optical element having a rough surface on the carrier generation layer side of the plasmon excitation layer.
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