JPWO2014020955A1 - Optical element, illumination device, image display device, and method of operating optical element - Google Patents
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Abstract
高指向性かつ高直線偏光度な光を高効率に放射する光学素子を提供する。表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層(104)と、プラズモン励起層(104)の上側に配置され、かつ、プラズモン励起層(104)の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層(107)とを備え、さらに、プラズモン励起層(104)と出射層(107)との間に、光学異方性層(105)を有し、光学異方性層105が、各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子。Provided is an optical element that emits light having high directivity and high linear polarization with high efficiency. A plasmon excitation layer (104) that can excite surface plasmons, and light or surface plasmons that are arranged on the upper side of the plasmon excitation layer (104) and generated on the upper surface of the plasmon excitation layer (104) An output layer (107) that converts the light into a square light and emits it, and further includes an optically anisotropic layer (105) between the plasmon excitation layer (104) and the output layer (107). An optical element in which the anisotropic layer 105 has at least one optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers.
Description
本発明は、光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法に関する。 The present invention relates to an optical element, an illumination device, an image display device, and an operation method of the optical element.
プロジェクタ等の画像表示装置は、例えば、発光素子を有する光源装置と、前記光源装置からの光が入射する照明光学系と、前記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、前記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から形成される。 An image display device such as a projector includes, for example, a light source device having a light emitting element, an illumination optical system into which light from the light source device is incident, and a light valve having a liquid crystal display plate into which light from the illumination optical system is incident And a projection optical system for projecting light from the light valve onto the projection surface.
前記画像表示装置では、投射映像の輝度を高めるために、前記光源装置から前記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 image display device, 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、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, 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、発光素子と、発光素子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 a light emitting element and an optical element on which light from the light emitting element is incident, it is a concern to reduce the above-described light loss by reducing etendue of light emitted from the optical element. It has become.
低エテンデューな光を得る方法として、発光体中の励起子と表面プラズモンの相互作用によって引き起こされる高指向性放射を応用する方法がある(特許文献1、特許文献2)。 As a method of obtaining low etendue light, there is a method of applying highly directional radiation caused by the interaction between excitons in a light emitter and surface plasmons (Patent Documents 1 and 2).
このような光学素子、発光素子は、つぎのような原理で発光する。まず、前記発光層に前記発光素子から照射された励起光が吸収されることで、前記発光層中に励起子が生成される。この励起子は、前記プラズモン励起層中の自由電子と結合し、表面プラズモンを励起する。そして、前記励起された表面プラズモンが、光として放出される。 Such optical elements and light emitting elements emit light on the following principle. First, excitons are generated in the light emitting layer by the excitation light irradiated from the light emitting element being absorbed by the light emitting layer. This exciton couples with free electrons in the plasmon excitation layer to excite surface plasmons. Then, the excited surface plasmon is emitted as light.
前記特許文献1等に記載の光学素子および発光素子では、表面プラズモンの偏光がp偏光に限定されることから、1点からの出射光が軸対称偏光となる。一方、表示素子として、液晶表示素子を用いたプロジェクタ(液晶プロジェクタ)の場合は、ある直線偏光のみが透過可能である。つまり、表面プラズモンを用いた光源を液晶プロジェクタに用いる場合は、50%の偏光損失が発生するという課題がある。 In the optical element and the light emitting element described in Patent Document 1 and the like, since the polarization of the surface plasmon is limited to the p-polarized light, the emitted light from one point becomes the axially symmetric polarized light. On the other hand, in the case of a projector (liquid crystal projector) using a liquid crystal display element as a display element, only certain linearly polarized light can be transmitted. That is, when a light source using surface plasmons is used for a liquid crystal projector, there is a problem that a polarization loss of 50% occurs.
本発明の目的は、高指向性かつ高直線偏光度な光を高効率に放射する光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical element, an illuminating device, an image display apparatus, and an optical element operating method that radiate light having high directivity and high linear polarization with high efficiency.
前記目的を達成するために、本発明の光学素子は、表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層と、前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子である。 In order to achieve the above object, an optical element of the present invention includes a plasmon excitation layer capable of exciting surface plasmons, and light generated on the upper surface of the plasmon excitation layer and disposed on the plasmon excitation layer. Or an output layer that converts surface plasmons into light having a predetermined output angle and outputs the light, and further includes an optical anisotropic layer between the plasmon excitation layer and the output layer, The isotropic layer is an optical element having at least one optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers.
本発明の照明装置は、本発明の光学素子と、光投射部と、投射光学系とを含み、前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能であり、前記投射光学系は、前記光投射部からの出射光により投射映像を投射する照明装置である。 The illuminating device of the present invention includes the optical element of the present invention, a light projection unit, and a projection optical system. Light enters the light projection unit from the optical element, and light is emitted from the light projection unit. Thus, it is possible to project light, and the projection optical system is an illumination device that projects a projected image by light emitted from the light projection unit.
本発明の画像表示装置は、本発明の光学素子と、画像表示部とを含み、前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である。 The image display device of the present invention includes the optical element of the present invention and an image display unit, and light is incident on the image display unit from the optical element, and light is emitted from the image display unit, whereby an image is displayed. Can be displayed.
本発明の光学素子の作動方法は、本発明の光学素子において、前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する。 The optical element operating method of the present invention is the optical element of the present invention, wherein the light or surface plasmon generated on the upper surface of the plasmon excitation layer is more linear than the light or surface plasmon by the optical anisotropic layer. The light or surface plasmon having a high degree of polarization is converted into light or surface plasmon, and the light or surface plasmon having a high degree of linear polarization is converted into light having a predetermined emission angle by the emission layer and emitted.
本発明によれば、高指向性かつ高直線偏光度な光を高効率に放射する光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical element, an illuminating device, an image display apparatus, and a method of operating the optical element that radiate light having high directivity and high linear polarization with high efficiency.
以下、本発明の光学素子、発光素子および画像表示装置の例である実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、以下の図1から図11において、同一部分には、同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なり、模式的に示す場合がある。また、特に断らない限り、誘電率という言葉は比誘電率を指すものとする。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments that are examples of an optical element, a light emitting element, and an image display device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the following FIGS. 1 to 11, the same parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted. In the drawings, for convenience of explanation, the structure of each part may be simplified as appropriate, and the dimensional ratio of each part may be schematically shown, unlike the actual case. Unless otherwise specified, the term dielectric constant refers to the relative dielectric constant.
(実施形態1)
本実施形態の光学素子は、誘電体層を有する光学素子の一例である。図1の斜視図に、本実施形態の光学素子の構成を示す。(Embodiment 1)
The optical element of this embodiment is an example of an optical element having a dielectric layer. The configuration of the optical element of this embodiment is shown in the perspective view of FIG.
図1に示すように、本実施形態の光学素子10は、発光層102と、発光層102上に積層された誘電体層103と、誘電体層103上に積層されたプラズモン励起層104と、プラズモン励起層104上に積層された光学異方性層105と、光学異方性層105上に積層された誘電体層106と、誘電体層106上に積層された波数ベクトル変換層(出射層)107とを含む。
As shown in FIG. 1, the
光学素子10は、励起光入射側部分(以下、「入射側部分」ということがある。)の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が、光出射側部分(以下、「出射側部分」ということがある。)の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部よりも低くなるように構成されている。前記入射側部分は、プラズモン励起層104の発光層102側に積層された構造全体と発光層102に接する周囲雰囲気媒質(以下、「媒質」ということがある。)とを含む。前記構造全体には、誘電体層103および発光層102が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層104の波数ベクトル変換層107側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層107に接する媒質とを含む。前記構造全体には、光学異方性層105、誘電体層106および波数ベクトル変換層107が含まれる。なお、誘電体層103および誘電体層106は、本発明において、必須の構成要素ではない。ただし、誘電体層103および誘電体層106を除いた構造において、前記入射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が前記出射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部以上である場合には、誘電体層103および誘電体層106があることが好ましい。
In the
ここで、前記表面プラズモンに対する実効誘電率は、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104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る。前記表面プラズモンに対する実効誘電率(εeff,spp)は、プラズモン励起層104の界面に平行な方向をx軸およびy軸、プラズモン励起層104の界面に垂直な方向(プラズモン励起層104の表面に凹凸が形成されている場合には、その平均面に垂直な方向)をz軸とし、発光層102単体を励起光で励起したとき、発光層102から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層104に対する前記入射側部分または前記出射側部分における誘電体の誘電率分布をε(ω,x,y,z)、表面プラズモンの波数のz成分をkspp,z、Im[ ]を[ ]内の数値の虚部を示す記号、||を||内の数値の絶対値を示す記号とすれば、下記式(1)で表される。Here, the effective dielectric constant for the surface plasmon is determined based on the dielectric constant distribution of the incident side portion or the emission side portion and the distribution of the surface plasmon in the direction perpendicular to the interface of the
前記式(1)において、積分範囲Dは、プラズモン励起層104に対する、前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Dにおけるx軸およびy軸方向の範囲は、前記入射側部分の構造全体の外周面、または前記出射側部分の構造全体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層104の波数ベクトル変換層107側の面に平行な面内の外縁までの範囲である。積分範囲Dにおけるz軸方向の範囲は、前記入射側部分または前記出射側部分の範囲である。なお、積分範囲Dにおけるz軸方向の範囲は、プラズモン励起層104と、プラズモン励起層104に隣接する、誘電性を有する層(誘電体層103または誘電体層106)との界面を、z=0となる位置とし、これらの界面から、プラズモン励起層104の、誘電体層103または誘電体層106側の無限遠までの範囲であり、これらの界面から遠ざかる方向を、前記式(1)における(+)z方向とする。例えば、プラズモン励起層104の表面に凹凸が形成されている場合、プラズモン励起層104の凹凸に沿ってz座標の原点を移動させれば、前記式(1)から実効誘電率が求められる。例えば、実効誘電率の計算範囲において、光学異方性を有する材料が含まれている場合、ε(ω,x,y,z)はベクトルとなり、z軸に垂直な動径方向ごとに異なった値を有する。すなわち、z軸に垂直な動径方向ごとに、前記入射側部分および前記出射側部分の実効誘電率が存在する。この場合、ε(ω,x,y,z)の値は、z軸に垂直な動径方向に対する誘電率とする。したがって、後述のkspp,z、kspp、deff等の、実効誘電率の関係する全ての現象は、z軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を有する。In the equation (1), 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
また、前記表面プラズモンの波数のz成分kspp,z、前記表面プラズモンの波数のxおよびy成分ksppは、プラズモン励起層104の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、下記式(2)および(3)で表される。Further, the z component k spp, z of the surface plasmon wave number, the x and y components k spp of the surface plasmon wave number, ε metal represents the real part of the dielectric constant of the
前記表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,sppは、下記式(4)、式(5)または式(6)で表される式を用いて算出されてもよい。ただし、積分範囲に屈折率の実部が1未満の材料が含まれる場合、計算が発散するため、前記式(1)または式(4)を用いるのが、望ましく、式(1)を用いるのが特に望ましい。積分範囲に屈折率の実部が1未満の材料が含まれない場合は式(5)を用いるのが、望ましい。The effective dielectric constant ε eff, spp for the surface plasmon may be calculated using an equation represented by the following equation (4), equation (5), or equation (6). However, if the integral range includes a material whose real part of the refractive index is less than 1, the calculation diverges. Therefore, it is preferable to use the formula (1) or the formula (4), and use the formula (1). Is particularly desirable. When the integration range does not include a material whose real part of the refractive index is less than 1, it is desirable to use the equation (5).
ここで、jは虚数単位、Im[ ]は[ ]内の数値の虚部を示す記号である。前記式(4)、式(5)、および式(6)において、積分範囲や式中の記号は式(1)と同様である。ただし、前記式(5)および式(6)において、前記表面プラズモンの波数のxおよびy成分ksppのみ下記式(7)に示す通りとする。Here, j is an imaginary unit, and Im [] is a symbol indicating the imaginary part of the numerical value in []. In the formula (4), formula (5), and formula (6), the integration range and symbols in the formula are the same as those in the formula (1). However, in the above formulas (5) and (6), only the x and y components k spp of the wave number of the surface plasmon are as shown in the following formula (7).
光学素子10では、プラズモン励起層104の発光層102側表面から発光層102のプラズモン励起層104側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離deffより短く設定されている。前記deffは、Im[ ]を[ ]内の数値の虚部を示す記号とし、表面プラズモンの有効相互作用距離を表面プラズモンの強度がe-2となる距離とすれば、下記式(4)で表される。In the
したがって、前記式(1)、前記式(2)および前記式(3)を用い、ε(ω,x,y,z)として、プラズモン励起層104の前記入射側部分の誘電率分布εin(ω,x,y,z)、およびプラズモン励起層104の前記出射側部分の誘電率分布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104に対する前記入射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp,in、および前記出射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp,outが、それぞれ求められる。例えば、z軸に垂直な面内に誘電率の異方性がある場合、z軸に垂直な動径方向ごとに、前記入射側部分および前記出射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率が存在する。したがって、前述のように、kspp,z、kspp、後述のdeff等の、実効誘電率の関係する全ての現象は、z軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を有する。実際には、表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,sppとして適当な初期値を与え、前記式(1)、前記式(2)および前記式(3)を繰り返し計算することで、表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,sppを容易に求められる。なお、例えば、プラズモン励起層104に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合、前記式(2)で表される表面プラズモンの波数のz成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。このため、プラズモン励起層104に接する層の誘電率が、この場合の表面プラズモンに対する実効誘電率に相当する。後述の実施形態における表面プラズモンに対する実効誘電率も、前記式(1)と同様に定義される。上記の説明は式(4)、(5)、(6)、および(7)についても同様に当てはまる。Therefore, the dielectric constant distribution ε in ( in the incident side portion of the
図2の斜視図に、本実施形態の光学素子に対する発光素子201の配置の一例を示す。光学素子10では、発光素子201aおよび201bから出射される光(以下、「励起光」ということがある)が、発光層102側から発光層102に入射する。このような構成により、発光層102中に励起子が励起され、そのエネルギーが表面プラズモンに起因するモード(表面プラズモンモード)へ選択的に緩和することで、励起子のエネルギーのほとんどが高指向性放射として、外部に放出される。
The perspective view of FIG. 2 shows an example of the arrangement of the light emitting elements 201 with respect to the optical element of the present embodiment. In the
表面プラズモンモードが光学異方性層105/誘電体層106界面から誘電体層106へ放射する際の放射角θout,sppは、誘電体層106の屈折率をnoutとすると、下記式(9)となる。The radiation angle θ out, spp when the surface plasmon mode radiates from the interface of the optically
表面プラズモンモードに起因する発光は原理的にp偏光であり、式(9)で表されるとおり、非常に高い指向性を持つ。本発明者らは、この光学的な著しい特異性に着目し、鋭意研究を重ねた結果、光学異方性媒体の光学軸(光学異方性媒体が持つ直交する3方向の独立な屈折率のうち、それらの間で最も差異の大きい屈折率を有する方向)をプラズモン励起層に対して垂直な方向から傾けることで、軸対称偏光した光を放出する素子から直線偏光度の高い光が得られることを見出した。この知見は、本発明者らが初めて見出したものである。 The light emission resulting from the surface plasmon mode is in principle p-polarized light and has a very high directivity as represented by equation (9). The inventors of the present invention focused on this remarkable optical specificity, and as a result of intensive research, the optical axis of the optically anisotropic medium (the independent refractive index of the three orthogonal directions of the optically anisotropic medium). By tilting the direction (with the refractive index having the greatest difference between them) from the direction perpendicular to the plasmon excitation layer, light with a high degree of linear polarization can be obtained from an element that emits axisymmetrically polarized light. I found out. This finding was first discovered by the present inventors.
軸対称偏光が光学異方性層105によって直線偏光化される原理を以下に説明する。光学異方性に光が入射すると、光は異常光と常光に分離される。異常光と常光では位相速度が異なるため、光学異方性層105を透過した光には位相差が与えられ、結果、出射光の偏光が回転させられる。一光学異方性層105において、光が異常光と常光に分離されるためには、偏光の光学軸への射影が光学軸と平行な成分と垂直な成分を持つ必要がある。つまり、偏光の光学軸への射影が方位角依存性を持つように光学異方性層105の光学軸を配置し、その厚さを直線偏光度が高くなる厚さとすることで、光学異方性層105が方位角依存性のある1/2波長板として機能するため、光学異方性層105を透過した指向性の高い軸対称偏光は直線偏光度の高い光に変換される。なお、本発明において、前記光学異方性層は、一軸性の光学異方性を有する層でも良いが、二軸性の光学異方性を有し、前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜していることが好ましい。また、前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向であることがより好ましい。なお、前記光学異方性層において、「主軸」は、誘電率テンソルを対角化するような座標系を構成する軸をいい、「主屈折率」は、前記主軸に付随した屈折率をいう。
The principle that the axially symmetric polarized light is linearly polarized by the optically
発光素子201aおよび201bは、発光層102が吸収可能な波長の光(励起光)を出射する。具体的には、例えば、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等があげられる。発光素子201aおよび201bは、励起光が発光層102を透過して誘電体層103に出射すれば、光学素子10に対してどのように配置されていてもよい。
The
発光層102は、前記励起光を吸光して励起子を生成させる層である。発光層102は、例えば、発光体を含む。発光層102は、例えば、発光波長が同一または異なる複数の波長の光を発生する、複数の材料から構成されてもよい。発光層102の厚みは、特に制限されず、例えば、1μm以下が好ましく、200nm以下が特に好ましい。
The
発光層102は、例えば、前記発光体を光透過性部材に分散させた層である。前記発光体の形状は、例えば、粒子状である。前記発光体は、例えば、有機蛍光体、無機蛍光体、半導体蛍光体等があげられる。前記励起光の吸収効率および発光効率の観点から、前記発光体は、半導体蛍光体が好ましい。
The
前記有機蛍光体は、例えば、ローダミン(Rhodamine 6G)、スルホローダミン(sulforhodamine 101)等があげられる。前記無機蛍光体は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、Y2O2S:Eu、La2O2S:Eu、BaMgAlxOy:Eu、BaMgAlxOy:Mn、(Sr、Ca、Ba)5(PO4)3:Cl:Eu等があげられる。Examples of the organic phosphor include rhodamine (Rhodamine 6G) and sulforhodamine 101. The inorganic phosphor includes yttrium, aluminum, garnet, Y 2 O 2 S: Eu, La 2 O 2 S: Eu, BaMgAlxOy: Eu, BaMgAlxOy: Mn, (Sr, Ca, Ba) 5 (PO 4 ) 3 : Cl: Eu and the like.
前記半導体蛍光体は、例えば、コア/シェル構造のもの、マルチコアシェル構造のもの、またはそれらの表面に有機化合物が結合したもの等があげられる。前記マルチコアシェル構造の半導体蛍光体は、具体的には、例えば、コア/シェル構造を有する半導体蛍光体の、前記シェル部の外側にさらに他の材料からなるシェル部が設けられたコア/シェル/シェル構造;中央部にシェル部が配置され、このシェル部を覆うようにコア部が設けられ、さらに前記コア部の外側を覆うようにシェル部が設けられたシェル/コア/シェル構造;等の半導体蛍光体があげられる。 Examples of the semiconductor phosphor include a core / shell structure, a multi-core shell structure, and an organic compound bonded to the surface thereof. Specifically, the semiconductor phosphor having the multi-core shell structure is, for example, a core / shell / shell / semiconductor phosphor having a core / shell structure in which a shell portion made of another material is provided outside the shell portion. Shell structure; shell / core / shell structure in which a shell part is disposed in the center, a core part is provided so as to cover the shell part, and a shell part is provided so as to cover the outside of the core part; Semiconductor phosphors are examples.
前記コア部の形成材料は、例えば、IV族半導体、IV−IV族半導体、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、I−VIII族化合物半導体、IV−VI族化合物半導体等の半導体材料があげられる。また、前記コア部の形成材料は、例えば、混在する結晶が1種の元素からなる単体半導体、2種の元素からなる2元化合物半導体、3種以上の元素からなる混晶半導体等の半導体材料でもよい。発光効率向上の観点から、前記コア部は、直接遷移型半導体材料から構成されていることが好ましい。また、前記コア部を構成する半導体材料は、可視光を発するものが好ましい。耐久性の観点から、例えば、前記形成材料は、原子の結合力が強く化学的安定性が高い、III−V族化合物半導体材料が好ましい。 The material for forming the core is, for example, a semiconductor such as a group IV semiconductor, a group IV-IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, a group I-VIII compound semiconductor, a group IV-VI compound semiconductor, etc. Materials. The core portion may be formed of, for example, a semiconductor material such as a single semiconductor in which mixed crystals are composed of one element, a binary compound semiconductor composed of two elements, or a mixed crystal semiconductor composed of three or more elements. But you can. From the viewpoint of improving luminous efficiency, the core part is preferably made of a direct transition semiconductor material. The semiconductor material constituting the core part preferably emits visible light. From the viewpoint of durability, for example, the forming material is preferably a group III-V compound semiconductor material having a strong atomic bonding force and high chemical stability.
前記半導体蛍光体の発光スペクトルのピーク波長の調整の容易性から、前記コア部は、前記混晶半導体材料から構成されていることが好ましい。一方、製造の容易性の観点から、前記コア部は、4元以下の混晶からなる半導体材料から構成されていることが好ましい。 From the viewpoint of easy adjustment of the peak wavelength of the emission spectrum of the semiconductor phosphor, the core portion is preferably made of the mixed crystal semiconductor material. On the other hand, from the viewpoint of ease of manufacture, the core portion is preferably made of a semiconductor material made of a mixed crystal of four or less elements.
前記コア部を構成可能な2元化合物半導体材料は、例えば、InP、InN、InAs、GaAs、CdSe、CdTe、ZnSe、ZnTe、PbS、PbSe、PbTe、CuCl等があげられる。これらの中でも、環境負荷等の観点から、InP、InNが好ましい。製造の容易性の観点から、CdSe、CdTeが好ましい。 Examples of the binary compound semiconductor material that can constitute the core part include InP, InN, InAs, GaAs, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, and CuCl. Among these, InP and InN are preferable from the viewpoint of environmental load and the like. From the viewpoint of ease of production, CdSe and CdTe are preferable.
前記コア部を構成可能な3元混晶の半導体材料は、例えば、InGaP、AlInP、InGaN、AlInN、ZnCdSe、ZnCdTe、PbSSe、PbSTe、PbSeTe等があげられる。これらの中でも、環境に調和した材料であり、外界からの影響を受けにくい半導体蛍光体の製造の観点から、InGaP、InGaNが好ましい。 Examples of the ternary mixed crystal semiconductor material that can form the core part include InGaP, AlInP, InGaN, AlInN, ZnCdSe, ZnCdTe, PbSSe, PbSTe, and PbSeTe. Among these, InGaP and InGaN are preferable from the viewpoint of manufacturing a semiconductor phosphor which is a material harmonized with the environment and hardly affected by the outside world.
前記シェル部の材料は、例えば、IV族半導体、IV−IV族半導体、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、I−VIII族化合物半導体、IV−VI族化合物半導体等の半導体材料があげられる。また、前記シェル部の形成材料は、例えば、混在する結晶が1種の元素からなる単体半導体、2種の元素からなる2元化合物半導体、3種以上の元素からなる混晶半導体等の半導体材料でもよい。発光効率向上の観点から、前記シェル部の形成材料は、前記コア部の形成材料より高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料であることが好ましい。 Examples of the material of the shell portion include semiconductor materials such as a group IV semiconductor, a group IV-IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, a group I-VIII compound semiconductor, and a group IV-VI compound semiconductor. Can be given. Further, the material for forming the shell portion is, for example, a semiconductor material such as a single semiconductor in which mixed crystals are composed of one element, a binary compound semiconductor composed of two elements, or a mixed crystal semiconductor composed of three or more elements. But you can. From the viewpoint of improving luminous efficiency, it is preferable that the material for forming the shell portion is a semiconductor material having a higher band gap energy than the material for forming the core portion.
前記コア部の保護機能の観点から、前記シェル部は、原子の結合力が強く化学的安定性が高いIII−V族化合物半導体材料から形成されていることが好ましい。一方、製造の容易性の観点から、前記シェル部は、4元以下の混晶からなる半導体材料から構成されていることが好ましい。 From the viewpoint of the protective function of the core part, the shell part is preferably formed of a III-V group compound semiconductor material having a strong atomic bonding force and high chemical stability. On the other hand, from the viewpoint of ease of manufacture, the shell portion is preferably made of a semiconductor material made of a mixed crystal of four or less elements.
前記シェル部を構成可能な2元化合物半導体材料は、例えば、AlP、GaP、AlN、GaN、AlAs、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、MgO、MgS、MgSe、MgTe、CuCl、SiC等があげられる。これらの中でも、環境負荷等の観点から、AlP、GaP、AlN、GaN、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、MgO、MgS、MgSe、MgTe、CuCl、SiCが好ましい。 Examples of the binary compound semiconductor material that can constitute the shell portion include AlP, GaP, AlN, GaN, AlAs, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CuCl, and SiC. Among these, AlP, GaP, AlN, GaN, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CuCl, and SiC are preferable from the viewpoint of environmental load and the like.
前記シェル部を構成可能な3元混晶の半導体材料は、例えば、AlGaN、GaInN、ZnOS、ZnOSe、ZnOTe、ZnSSe、ZnSTe、ZnSeTe等があげられる。これらの中でも、環境に調和した材料であり、外界からの影響を受けにくい半導体蛍光体の製造の観点から、AlGaN、GaInN、ZnOS、ZnOTe、ZnSTeが好ましい。 Examples of the ternary mixed crystal semiconductor material that can form the shell portion include AlGaN, GaInN, ZnOS, ZnOSe, ZnOTe, ZnSSe, ZnSTe, and ZnSeTe. Among these, AlGaN, GaInN, ZnOS, ZnOTe, and ZnSTe are preferable from the viewpoint of manufacturing a semiconductor phosphor that is a material harmonized with the environment and hardly affected by the outside world.
前記半導体蛍光体の表面に結合される有機化合物は、例えば、機能部であるアルキル基と前記コア部または前記シェル部との結合部からなる有機化合物が好ましい。具体的には、例えば、アミン化合物、ホスフィン化合物、ホスフィンオキシド化合物、チオール化合物、脂肪酸等があげられる。 The organic compound bonded to the surface of the semiconductor phosphor is preferably, for example, an organic compound composed of a bonding portion between an alkyl group that is a functional portion and the core portion or the shell portion. Specific examples include amine compounds, phosphine compounds, phosphine oxide compounds, thiol compounds, and fatty acids.
前記ホスフィン化合物は、例えば、トリブチルホスフィン、トリヘキシルホスフィン、トリオクチルホスフィン等があげられる。 Examples of the phosphine compound include tributylphosphine, trihexylphosphine, trioctylphosphine, and the like.
前記ホスフィンオキシド化合物は、例えば、1−ジクロロホスフィノルヘプタン、1−ジクロロホスフィノルノナン、t−ブチルホスホン酸、テトラデシルホスホン酸、ドデシルジメチルホスフィンオキシド、ジオクチルホスフィンオキシド、ジデシルホスフィンオキシド、トリブチルホスフィンオキシド、トリペンチルホスフィンオキシド、トリヘキシルホスフィンオキシド、トリオクチルホスフィンオキシド等があげられる。 Examples of the phosphine oxide compound include 1-dichlorophosphinorheptane, 1-dichlorophosphinornonane, t-butylphosphonic acid, tetradecylphosphonic acid, dodecyldimethylphosphine oxide, dioctylphosphine oxide, didecylphosphine oxide, tributyl. Examples thereof include phosphine oxide, tripentyl phosphine oxide, trihexyl phosphine oxide, and trioctyl phosphine oxide.
前記チオール化合物は、例えば、トリブチルサルファイド、トリヘキシルサルファイド、トリオクチルサルファイド、1−ヘプチルチオール、1−オクチルチオール、1−ノナンチオール、1−デカンチオール、1−ウンデカンチオール、1−ドデカンチオール、1−トリデカンチオール、1−テトラデカンチオール、1−ペンタデカンチオール、1−ヘキサデカンチオール、1−オクタデカンチオール、ジヘキシルサルファイド、ジヘプチルサルファイド、ジオクチルサルファイド、ジノニルサルファイド等があげられる。 Examples of the thiol compound include tributyl sulfide, trihexyl sulfide, trioctyl sulfide, 1-heptyl thiol, 1-octyl thiol, 1-nonane thiol, 1-decane thiol, 1-undecane thiol, 1-dodecane thiol, 1- Examples include tridecanethiol, 1-tetradecanethiol, 1-pentadecanethiol, 1-hexadecanethiol, 1-octadecanethiol, dihexyl sulfide, diheptyl sulfide, dioctyl sulfide, dinonyl sulfide and the like.
前記アミン化合物は、例えば、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタデシルアミン、オレイルアミン、ジオクチルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、トリノニルアミン等があげられる。 Examples of the amine compound include heptylamine, octylamine, nonylamine, decylamine, undecylamine, dodecylamine, tridecylamine, tetradecylamine, hexadecylamine, octadecylamine, oleylamine, dioctylamine, tributylamine, and tripentylamine. , Trihexylamine, triheptylamine, trioctylamine, trinonylamine and the like.
前記脂肪酸は、例えば、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイル酸等があげられる。 Examples of the fatty acid include lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, and oleic acid.
発光の単色性が高いことが求められる用途では、前記半導体蛍光体の粒子径が揃っていることが好ましく、発光の演色性が高いことが求められる用途では、前記半導体蛍光体の粒子径が揃っていないことが好ましい。これは、前記半導体蛍光体から放出される光の波長(発光波長、以下、同様。)が、前記半導体蛍光体の粒子径に依存しているためである。 For applications that require high monochromaticity of light emission, it is preferable that the particle diameters of the semiconductor phosphors are uniform, and for applications that require high color rendering properties of light emission, the particle diameters of the semiconductor phosphors are uniform. Preferably not. This is because the wavelength of light emitted from the semiconductor phosphor (emission wavelength, hereinafter the same applies) depends on the particle diameter of the semiconductor phosphor.
前記光透過性部材は、発光層102に、前記発光体を分散配置させた状態で封止するためのものであり、発光層102に入射された励起光および前記発光体から発せされる光を吸収しないものが好ましい。前記光透過性部材は、水分、酸素等を透過しない材料で構成されていることが好ましい。このように構成すれば、例えば、前記光透過性部材によって発光層102内部への水分、酸素等の進入を防止でき、前記発光体が水分、酸素等により影響を受けるのを緩和できる。このため、前記発光体の耐久性を向上できる。前記光透過性部材の形成材料は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、尿素樹脂等の光透過性樹脂材料;酸化アルミニウム、酸化ケイ素、イットリア等の光透過性無機材料等があげられる。
The light transmissive member is for sealing the
発光層102は、例えば、金属粒子を含んでもよい。前記金属粒子は、前記励起光との相互作用により、前記金属粒子の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に、前記励起光の電場強度に対して100倍近くの増強電場を誘起する。この増強電場により、発光層102内に生成される励起子を増加でき、例えば、光学素子10における前記励起光の利用効率を向上できる。
The
前記金属粒子を構成する金属は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記金属は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、またはこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム、またはこれらを主成分とする合金が特に好ましい。前記金属粒子は、例えば、その周辺部と中心部とで金属種の異なるコアシェル構造;2種の金属の半球の合体した半球合体構造;異なるクラスターが集合して粒子を作るクラスター・イン・クラスター構造等の構造を有してもよい。前記金属粒子を、例えば、前記合金または、前述の特殊構造とすることにより、前記金属粒子の寸法、形状等を変化させなくとも、共鳴波長を制御できる。 Examples of the metal constituting the metal particles 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, the metal is preferably gold, silver, copper, platinum, aluminum, or an alloy containing these as the main component, and gold, silver, aluminum, or an alloy containing these as the main component is particularly preferable. The metal particles include, for example, a core-shell structure in which metal species are different in the peripheral part and the central part; a hemispherical union structure in which two metal hemispheres are combined; a cluster-in-cluster structure in which different clusters are aggregated to form particles Or the like. By making the metal particles, for example, the alloy or the special structure described above, the resonance wavelength can be controlled without changing the size, shape, etc. of the metal particles.
前記金属粒子の形状は、閉じた表面を有する形状であればよく、例えば、直方体、立方体、楕円体、球体、三角錐、三角柱等があげられる。前記金属粒子は、例えば、半導体リソグラフィ技術に代表される微細加工により、金属薄膜が一辺10μm未満の閉じた面で構成される構造体に加工されたものも含まれる。前記金属粒子のサイズは、例えば、1〜100nmの範囲であり、好ましくは5〜70nmの範囲であり、より好ましくは10〜50nmの範囲である。 The shape of the metal particles may be a shape having a closed surface, and examples thereof include a rectangular parallelepiped, a cube, an ellipsoid, a sphere, a triangular pyramid, and a triangular prism. Examples of the metal particles include those obtained by processing a metal thin film into a structure including a closed surface having a side of less than 10 μm by fine processing typified by semiconductor lithography technology. The size of the metal particles is, for example, in the range of 1 to 100 nm, preferably in the range of 5 to 70 nm, and more preferably in the range of 10 to 50 nm.
プラズモン励起層104は、発光層102単体を励起光で励起したときに発光層102で発生する光の周波数(以下、「発光周波数」ということがある。)よりも高いプラズマ周波数を有する形成材料により形成された、微粒子層または薄膜層である。すなわち、プラズモン励起層104は、発光周波数において負の誘電率を有する。プラズモン励起層104の発光層102側に、プラズモン励起層104の発光層102側の界面から、前記式(8)で表される表面プラズモンの有効相互作用距離までの範囲に、例えば、光学異方性を有する誘電体層の一部が配置されてもよい。この誘電体層は、例えば、この光学素子10の構成要素の積層方向に垂直な面内、言い換えれば、各層の界面に並行な面内での方向によって誘電率が異なる光学異方性を有する。すなわち、この誘電体層は、光学素子10の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向で、誘電率の大小関係がある。この誘電体層により、光学素子10の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向とでは、前記入射側部分の実効誘電率が異なる。そして、前記入射側部分の実効誘電率の実部を、ある方向でプラズモン結合が発生しないほど高く、それと直交する方向ではプラズモン結合が発生する程度低く設定すれば、例えば、波数ベクトル変換層107に入射する光の入射角および偏光をさらに限定できる。このため、例えば、波数ベクトル変換層107による光の取り出し効率を、さらに向上できる。
The
理論的には、前記入射側部分の実効誘電率の実部とプラズモン励起層104の誘電率の実部との和が、負または0の場合、発光層102で生成された励起子は、プラズモン励起層104に表面プラズモンを励起する。一方、前記和が正の場合、前記励起子は、表面プラズモンを励起しない。すなわち、前述のプラズモン結合が発生しない程度高い実効誘電率とは、プラズモン励起層104の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部との和が正となるような誘電率であり、前述のプラズモン結合が発生する程度低い実効誘電率とは、プラズモン励起層104の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部との和が負または0となるような誘電率である。発光層102で生成された励起子が表面プラズモンへ結合する効率は、前記入射側部分の実効誘電率の実部とプラズモン励起層104の誘電率の実部の和とが0となる条件である。したがって、プラズモン励起層104の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部の最低値との和が0となる条件が、方位角に対する指向性を高める点で、最も好ましい。ただし、上記条件では、例えば、方位角に対する指向性を高め過ぎによる、プラズモン励起層104を透過する発光の減少やそれに伴うプラズモン励起層104での発熱が懸念される。このため、実用上は、方位角の指向性を高めすぎないのが好ましい。具体的には、方位角45度方向において、プラズモン励起層104の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部の和が0となる条件で、例えば、方位角315度〜45度、135度〜225度の範囲に高指向性放射が得られる。このため、例えば、方位角に対する指向性の向上と発光減少の抑制とを両立できる。前記光学異方性を有する誘電体層の構成材料は、例えば、TiO2、YVO4、Ta2O5等の異方性結晶、配向させられた有機分子等があげられる。構造に起因して光学異方性を有する前記誘電体層は、例えば、誘電体の斜め蒸着膜、斜めスパッタ膜等があげられる。構造に起因して光学異方性を有する前記誘電体層では、如何なる構成材料であっても用いることもできる。Theoretically, when the sum of the real part of the effective dielectric constant of the incident side portion and the real part of the dielectric constant of the
プラズモン励起層104の構成材料は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記構成材料は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合体が好ましく、金、銀、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合物が特に好ましい。プラズモン励起層104の厚みは、特に制限されず、100nm以下が好ましく、20〜40nm程度が特に好ましい。
The constituent material of the
プラズモン励起層104の発光層102側表面は、平坦であることが望ましい。これは表面プラズモンモードや導波路モードが散乱されるのを抑制するためである。
The surface of the
誘電体層103は、誘電体を含む層であり、発光波長に対して吸収のない材料で構成されることが好ましい。具体的には、例えば、SiO2ナノロッドアレイフィルム;SiO2、AlF3、MgF2、Na3AlF6、NaF、LiF、CaF2、BaF2、低誘電率プラスチック等の薄膜または多孔質膜等や、ダイヤモンド、TiO2、CeO2、Ta2O5、ZrO2、Sb2O3、HfO2、La2O3、NdO3、Y2O3、ZnO、Nb2O5等の高誘電率材料があげられる。誘電体層103の厚さは、10nm以上100nm未満が好ましく、より好ましくは20nm以上50nm未満の範囲である。The
誘電体層106は、誘電体を含む層であり、発光波長に対する屈折率が大きく、発光波長に対して吸収のない材料で構成されることが好ましい。具体的には、例えば、ダイヤモンド、TiO2、CeO2、Ta2O5、ZrO2、Sb2O3、HfO2、La2O3、NdO3、Y2O3、ZnO、Nb2O5等の高誘電率材料があげられる。誘電体層106の厚みは、特に制限されない。The
波数ベクトル変換層107は、プラズモン励起層104と誘電体層106との界面から放射される光を、その波数ベクトルを変換することにより、光学素子10から出射させる出射部である。波数ベクトル変換層107は、前記放射光を、プラズモン励起層104と誘電体層106との界面にほぼ直交する向きに、光学素子10から出射させる機能を有する。
The wave
波数ベクトル変換層107の形状は、例えば、表面レリーフ格子;フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造;そのサイズが光学素子10からの出射光の波長より大きいテクスチャー構造(例えば、粗面によって構成される表面構造);ホログラム;マイクロレンズアレイ等があげられる。前記準周期構造は、例えば、周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を示す。光の取り出し効率の向上および指向性制御の観点から、前記形状は、フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造;マイクロレンズアレイ等が好ましい。前記フォトニック結晶は、結晶構造が三角格子構造を採るものが好ましい。波数ベクトル変換層107は、例えば、平板状の基部上に凸部が設けられた構造でもよい。
The shape of the wave
光学素子10では、プラズモン励起層104の発光層102側表面から発光層102のプラズモン励起層104側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離deffより短く設定されている。このように設定されていることで、発光層102中に生成される励起子とプラズモン励起層104中の自由電子とを、効率よく結合でき、その結果、例えば、発光効率を向上できる。結合効率の高い領域は、例えば、発光層102中の励起子が生成される位置(例えば、発光層102中の蛍光体が存在する位置)から、プラズモン励起層104の発光層102側表面までの領域である。前記領域は、例えば、200nm程度と非常に狭く、例えば、1〜200nm範囲または10〜100nmの範囲である。光学素子10において、前記領域が1〜200nmの範囲の場合には、例えば、発光層102は、プラズモン励起層104から1〜200nmの範囲内に配置されていることが好ましい。また、前記領域が10〜100nmの範囲の場合には、例えば、発光層102は、プラズモン励起層104から10〜100nmの範囲内に配置されていることが好ましく、具体的には、例えば、誘電体層103の厚みを10nm、発光層102の厚みを90nmとする。光取り出し効率の観点からは、発光層102は薄いほど好ましい。一方、光出力定格の観点からは、発光層102は厚いほど好ましい。したがって、発光層102の厚みは、例えば、求められる光取り出し効率と光出力定格とに基づいて決定される。なお、前記領域の範囲は、発光層102とプラズモン励起層104との間に配置される誘電体層103の誘電率等により変化するため、所定条件における前記領域の範囲に応じて、例えば、前記誘電体層の厚みおよび前記発光層の厚み等を、適宜設定すればよい。In the
図3に光学異方性層105中における座標の定義を示す。各層の界面に平行な方向をx軸およびy軸とし、垂直な方向をz軸とし、z軸とプラズモン励起層104から出射する光の常光成分の放射方向とのなす角を出射角θi、光学異方性層の光学軸とxy平面とのなす角を起き上がり角θpとする。FIG. 3 shows the definition of coordinates in the optically
光学異方性層105は、光学軸の起き上がり角が0<θp<90の範囲に設定されており、その厚さは直線偏光の得られる量が最大となるように設定されている。光学異方性層105は、1軸性光学異方性媒体、2軸性光学異方性媒体のいずれで構成されていてもよい。ただし、効率の観点からは1軸性光学異方性媒体が用いられることが望ましい。2軸性光学異方性媒体が用いられる場合は、1軸性光学異方性媒体に近いほど好ましい。具体的には、直交する独立な屈折率のうち、2つが非常に近い値であり、1つがそれらの差よりも大きな差をもつ。光学異方性層105の構成材料は、例えば、TiO2、YVO4、Ta2O5等の異方性結晶、配向させられた有機分子等があげられる。構造に起因して光学異方性を有する光学異方性を光学異方性層105が備える場合には、光学異方性層105は例えば、誘電体の斜め蒸着膜、斜めスパッタ膜等で構成されている。光学異方性層105が構造に起因して光学異方性を有する場合は、如何なる構成材料であっても用いることもできる。In the optically
光学異方性層105の条件を詳細に検討するために、直線偏光変換効率の起き上がり角依存性、最適光出射角の起き上がり角依存性、直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性、直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性をジョーンズ計算法によるシミュレーションで評価した。
In order to examine the conditions of the optically
シミュレーションでは、光学異方性層105を1軸性光学異方性媒体とし、光学異方性層105の下面からp偏光の軸対称偏光が入射したと仮定し、光学異方性層105の上面に到達したときの直線偏光変換効率を計算した。ここで、直線偏光変換効率は、特定の光出射角θiに対して全方位角に渡って計算されたx軸に沿う偏光の割合の平均値である。全計算において、出射光の波長を530nm、光学異方性層105の常光屈折率を2.67とした。In the simulation, it is assumed that the optically
直線偏光変換効率の起き上がり角依存性の計算では、異常光屈折率を2.98とし、光学異方性層の厚さと光出射角θiを変数としたときの直線偏光変換効率の最大値を起き上がり角θpごとに計算した。最適光出射角の起き上がり角依存性の計算では、異常光屈折率を2.98とし、光学異方性層105の厚さと光出射角θiを変数としたときの直線偏光変換効率の最大値を与える光出射角θiを起き上がり角θpごとに計算した。直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性では、異常光屈折率を2.98、光出射角θiを60°、起き上がり角θpを45°とし、直線偏光変換効率の厚さの依存性を計算した。直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性の計算では、光出射角θiを30°、起き上がり角θpを65°とし、直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性を計算した。In the calculation of the rising angle dependency of the linear polarization conversion efficiency, the maximum value of the linear polarization conversion efficiency when the extraordinary refractive index is 2.98 and the thickness of the optically anisotropic layer and the light exit angle θ i are variables is calculated. It was calculated for each rising angle θ p. In the calculation of the rising angle dependence of the optimum light exit angle, the maximum value of the linear polarization conversion efficiency when the extraordinary light refractive index is 2.98 and the thickness of the optical
直線偏光変換効率の起き上がり角依存性を図4に示す。起き上がり角が40°から70°の範囲において80%以上の直線変換効率が得られた。 FIG. 4 shows the rising angle dependency of the linear polarization conversion efficiency. A linear conversion efficiency of 80% or more was obtained when the rising angle was in the range of 40 ° to 70 °.
最適光出射角の起き上がり角依存性を図5に示す。起き上がり角と最適光出射角との間には線形性があった。起き上がり角が40°から70°の範囲において80%以上の直線変換効率が得られたことから、θi出射角として好ましいのは20°から65°である。FIG. 5 shows the rising angle dependency of the optimum light emission angle. There was linearity between the rising angle and the optimum light exit angle. Since a linear conversion efficiency of 80% or more is obtained when the rising angle is in the range of 40 ° to 70 °, the θ i emission angle is preferably 20 ° to 65 °.
直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性を図6に示す。図6(a)は光学異方性層105の厚さを0〜500μmとした場合の結果、図6(b)は光学異方性層105の厚さを500〜650nmとした場合の結果である。図中の曲線は、得られた直線偏光変換効率の最大値を示している。いずれの厚さにおいても直線変換効率が50%を上回っており、直線偏光取り出し効率が、光学異方性層105を挿入しない条件と比較して向上した。最大値は光学異方性層105の厚さが570nmのときで、83.4%であった。
FIG. 6 shows the dependence of the linear polarization conversion efficiency on the thickness of the optically anisotropic layer. FIG. 6A shows the result when the thickness of the optical
直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性を図7に示す。図示のとおり、常光屈折率と異常光屈折率の差が小さいほど、直線偏光変換効率が高くなった。 FIG. 7 shows the extraordinary light refractive index dependency of the linear polarization conversion efficiency. As shown in the figure, the smaller the difference between the ordinary light refractive index and the extraordinary light refractive index, the higher the linear polarization conversion efficiency.
以上から、光学異方性層105の厚さや起き上がり角はプラズモン励起層104からの光出射角に対して、最適値を持つように設計すればよいことが明らかとなった。また、光学異方性層105の常光屈折率と異常光屈折率の差が小さいことが効率の観点からは望ましい。作用の観点からは、光学異方性層105と誘電体層106の上下関係は逆でもよい。
From the above, it has become clear that the thickness and rising angle of the optically
以上のように、光学異方性層105の挿入によって、光学素子10では直線偏光度の高い光を取り出すことが可能である。本発明によれば、直線偏光度の高い高指向性放射により、例えば、直線偏光度の高く高輝度な光を放射する光学素子を実現できる。
As described above, the
(実施形態2)
図8の斜視図に、本実施形態の別の光学素子の構成を示す。本実施形態の光学素子50は、反射型偏光子210が光学素子10の外部に取り付けられている点のみが実施形態1とは異なっている。(Embodiment 2)
The configuration of another optical element of the present embodiment is shown in the perspective view of FIG. The
図9にプラズモン励起層104に波数ベクトル変換層107側から光が入射する際の反射率の入射角依存性を示す。凡例のRsおよびRpはそれぞれs偏光、p偏光に対する結果であることを示している。40°付近が表面プラズモンモードに起因する発光の出射角に相当する。つまり、反射型偏光子で反射された光はこの角度で再度プラズモン励起層104に入射する。このときの反射率は50%以上あることから、プラズモン励起層104と反射型偏光子210との間を何度も往復することによって、取り出される直線偏光の量を更に増加させることができる。
FIG. 9 shows the incident angle dependence of the reflectance when light enters the
(実施形態3)
図10の斜視図に、本実施形態の発光素子20の構成を示す。本実施形態の発光素子は、実施形態1の光学素子と比べ、電流注入で動作するように構成されている点が異なっている。図10に示すように、本実施形態の発光素子20は、陽極208と、ホール輸送層202と、ホール輸送層202上に積層された発光層203と、発光層203上に積層された電子輸送層204と、電子輸送層204上に積層されたプラズモン励起層205と、プラズモン励起層205上に積層された光学異方性層206と、光学異方性層206上に積層された波数ベクトル変換層207とを含む。本実施形態において、プラズモン励起層205は陰極の役割を果たしている。(Embodiment 3)
The configuration of the
プラズモン励起層205から電子が、陽極208からホールが発光素子20に注入され、発光層203で励起子を形成する。その後の高指向性放射の原理は実施形態1と同様である。
Electrons from the
陽極層208としては、例えばITO、Ag、Au、Alや、それらを主要成分とする合金等の金属薄膜、ITO、Ag、Au、Alのいずれかを含む多層膜が用いられる。また、陽極層208として、LED、有機ELを構成する陽極材料を同様に用いてもよい。発光素子20の周囲の媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、発光素子20の基板側と波数ベクトル変換層207側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
As the
ホール輸送層202には、一般的なLEDや、半導体レーザを構成するp型半導体や、有機EL用のホール輸送層である芳香族アミン化合物やテトラフェニルジアミン等が用いられてもよい。
For the
発光層203には、一般的なLED、半導体レーザ、有機ELの活性層を構成する材料が用いられてもよい。また、発光層203が量子井戸構造からなる多層膜であってもよい。
For the
電子輸送層204には、一般的なLEDや、半導体レーザを構成するn型半導体や、有機EL用電子輸送層であるAlq3、オキサジアゾール(PBD)、トリアゾール(TAZ)が用いられてもよい。
For the
プラズモン励起層205は、プラズモン励起層104と同様である。
The
光学異方性層206は、光学異方性層105と同様である。ただし、光学異方性層206は透明導電材料で構成されることが望ましい。これは電子注入の効率が面内で均一化され、輝度の面内ばらつきが抑制されるためである。
The optical
波数ベクトル変換層207は、波数ベクトル変換層107と同様である。
The wave
なお、電子輸送層204とホール輸送層202の相対的な位置は、本実施形態におけるそれぞれの位置と反対に配置されてもよい。また、プラズモン励起層205の表面の一部を露出させ、その一部または全部に、プラズモン励起層205とは異なる材料によって形成された陰極が設けられてもよい。陰極、陽極としては、LED、有機ELを構成する陰極、陽極が用いられてもよい。
In addition, the relative positions of the
また、図10は、本発明に係る発光素子20の基本構成を示しており、発光素子20を構成する各層の間に、例えばバッファ層や、更に別のホール輸送層、電子輸送層等の他の層が挿入される構成であってもよく、周知のLED、有機ELの構造を適用することができる。
FIG. 10 shows a basic configuration of the
また、発光素子20は、陽極208が発光層203の発光波長に対して光透過性の材料で構成される場合には、陽極208の下面に、発光層203からの光を反射する反射層(不図示)が設けられてよい。この構成の場合、反射層としては、例えばAgやAl等の金属膜、誘電体多層膜などが挙げられる。
In the
(実施形態4)
本実施形態の画像表示装置は、3板式の投射型表示装置(プロジェクタ)の一例である。図11に、本実施形態のプロジェクタの構成を示す。図11(a)は、本実施形態のプロジェクタの概略斜視図であり、図11(b)は、同プロジェクタの上面図である。(Embodiment 4)
The image display device of the present embodiment is an example of a three-plate projection display device (projector). FIG. 11 shows the configuration of the projector according to the present embodiment. FIG. 11A is a schematic perspective view of the projector according to the present embodiment, and FIG. 11B is a top view of the projector.
図11に示すように、本実施形態のプロジェクタ100は、前記実施形態1ないし3のいずれかの光学素子または発光素子を組み合わせた3つの光源装置1r、1g、1bと、3つの液晶パネル502r、502g、502bと、色合成光学素子503と、投射光学系504とを主要な構成要素として含む。光源装置1rおよび液晶パネル502rと、光源装置1gおよび液晶パネル502gと、光源装置1bおよび液晶パネル502bとが、それぞれ光路を形成している。
As shown in FIG. 11, the
光源装置1r、1g、1bは、それぞれ、赤(R)光用、緑(G)光用、および青(B)光用で異なる材料で構成されている。液晶パネル502r、502g、502bは、前記光学素子からの出射光が入射され、表示させる画像に合わせて光の強度を変調する。色合成光学素子503は、液晶パネル502r、502g、502bで変調された光を合成する。投射光学系504は、色合成光学素子503からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズを含む。
The
プロジェクタ100は、制御回路部(図示せず)により、前記光路ごとに前記液晶パネル上の像を変調させる。プロジェクタ100は、前記実施形態1から3のいずれかの光学素子を備えることにより、投射映像の輝度を向上できる。また、前記光学素子が非常に高い指向性を示すため、例えば、照明光学系を使用することなく、小型化できる。
The
図11に示す本実施形態のプロジェクタは、3板型液晶プロジェクタであるが、本発明は、この例には限定されず、例えば、単板型液晶プロジェクタ等でもよい。また、本発明の画像表示装置は、前述のプロジェクタのみならず、液晶表示装置のバックライト、またはMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を使用したバックライトと組み合わせた画像表示装置でもよい。また、光を投射する照明装置であってもよい。 The projector of the present embodiment shown in FIG. 11 is a three-plate liquid crystal projector, but the present invention is not limited to this example, and may be a single-plate liquid crystal projector, for example. The image display device of the present invention may be an image display device combined with not only the projector described above but also a backlight of a liquid crystal display device or a backlight using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Moreover, the illuminating device which projects light may be sufficient.
前述のように、本発明の光学素子および発光素子は、高効率な高指向性放射を実現する。従って、本発明の光学素子または発光素子を使用した画像表示装置は、プロジェクタ等として使用できる。前記プロジェクタは、例えば、モバイルプロジェクタ、次世代リアプロジェクションTV(rear projection TV)、デジタルシネマ、網膜走査ディスプレイ(RSD:Retinal Scanning Display)、ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head Up Display)、携帯電話、デジタルカメラ、またはノートパソコン等への組込型プロジェクタ(embedded projector)等があげられ、幅広い市場に対する応用が可能である。ただし、その用途は限定されず、広い分野に適用可能である。また、光を投射する照明装置にも適用可能である。例えば、照明器具や、バックライトやPDA(Personal Digital Assistant)などの直視型表示装置に応用してもよい。 As described above, the optical element and the light emitting element of the present invention realize highly efficient and highly directional radiation. Therefore, the image display apparatus using the optical element or the light emitting element of the present invention can be used as a projector or the like. Examples of the projector include a mobile projector, a next-generation rear projection TV, a digital cinema, a retina scanning display (RSD), a head-up display (HUD), a mobile phone, and a digital camera. Alternatively, an embedded projector for a notebook personal computer or the like can be used, and application to a wide range of markets is possible. However, its use is not limited and can be applied to a wide range of fields. Moreover, it is applicable also to the illuminating device which projects light. For example, the present invention may be applied to a direct-view display device such as a lighting fixture, a backlight, or a PDA (Personal Digital Assistant).
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。 While the present invention has been described with reference to the embodiments, 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.
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載しうるが、以下には限定されない。 A part or all of the above embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited to the following.
(付記1)
表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、
前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子。(Appendix 1)
A plasmon excitation layer capable of exciting surface plasmons;
An emission layer that is disposed above the plasmon excitation layer and that emits light generated on the upper surface of the plasmon excitation layer or surface plasmon into light having a predetermined emission angle;
Furthermore, an optically anisotropic layer is provided between the plasmon excitation layer and the emission layer,
The optical element in which the optically anisotropic layer has at least one optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers.
(付記2)
発光素子である付記1記載の光学素子。(Appendix 2)
The optical element according to appendix 1, which is a light emitting element.
(付記3)
前記光学異方性層が、一軸性の光学異方性を有する付記1または2記載の光学素子。(Appendix 3)
The optical element according to
(付記4)
前記光学異方性層が、二軸性の光学異方性を有し、
前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜している付記1または2記載の光学素子。(Appendix 4)
The optically anisotropic layer has biaxial optical anisotropy;
The optical element according to
(付記5)
前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向である、付記4記載の光学素子。(Appendix 5)
Supplementary note 4 wherein the principal axis direction having the largest difference in principal refractive index with respect to the other principal axes among the principal axes of the optically anisotropic layer is the direction of the optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers. Optical elements.
(付記6)
さらに、前記出射層の上側に反射型偏光子を有する付記1から5のいずれかに記載の光学素子。(Appendix 6)
The optical element according to any one of appendices 1 to 5, further comprising a reflective polarizer on the upper side of the emission layer.
(付記7)
付記1から6のいずれかに記載の光学素子と、
光投射部とを含み、
前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能である、照明装置。(Appendix 7)
The optical element according to any one of supplementary notes 1 to 6,
Including a light projection unit,
An illumination apparatus capable of projecting light when light is incident on the light projection unit from the optical element and light is emitted from the light projection unit.
(付記8)
さらに、前記光投射部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、付記7記載の照明装置。(Appendix 8)
Furthermore, the illuminating device of Claim 7 including the projection optical system which projects a projection image | video with the emitted light from the said light projection part.
(付記9)
前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投射部からの出射光の方向とは異なる方向に配置されている、付記7または8記載の照明装置。(Appendix 9)
The lighting device according to appendix 7 or 8, wherein the optical element is disposed in a direction different from a direction of light emitted from the light projection unit with respect to the light projection unit.
(付記10)
付記1から6のいずれかに記載の光学素子と、
画像表示部とを含み、
前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である、画像表示装置。(Appendix 10)
The optical element according to any one of supplementary notes 1 to 6,
Including an image display unit,
An image display device capable of displaying an image when light is incident on the image display unit from the optical element and emitted from the image display unit.
(付記11)
さらに、前記画像表示部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、付記10記載の画像表示装置。(Appendix 11)
Furthermore, the image display apparatus of
(付記12)
前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投射部からの出射光の方向とは異なる方向に配置されている、付記10または11記載の画像表示装置。(Appendix 12)
The image display device according to
(付記13)
付記1から6のいずれかに記載の光学素子において、
前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、
前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する、付記1から6のいずれかに記載の光学素子の作動方法。(Appendix 13)
In the optical element according to any one of appendices 1 to 6,
The light or surface plasmon generated on the upper surface of the plasmon excitation layer is converted into light or surface plasmon having a higher degree of linear polarization than the light or surface plasmon by the optical anisotropic layer,
The optical element operating method according to any one of appendices 1 to 6, wherein the light or surface plasmon having a high degree of linear polarization is converted into light having a predetermined emission angle by the emission layer and emitted.
(付記14)
付記13記載の作動方法により、付記1から6のいずれかに記載の光学素子から光を放出させ、
前記光学素子から前記光投射部に前記光を入射させ、前記光投射部から光を出射させることにより、光を投射させる、付記7から9のいずれかに記載の照明装置の作動方法。(Appendix 14)
By the operation method according to appendix 13, light is emitted from the optical element according to any one of appendices 1 to 6,
The operation method of the illumination device according to any one of appendices 7 to 9, wherein light is projected by causing the light to enter the light projection unit from the optical element and to emit light from the light projection unit.
(付記15)
前記照明装置が、付記8記載の照明装置であり、
さらに、前記光投射部からの出射光により前記投射光学系に投射映像を投射させる、付記14記載の作動方法。(Appendix 15)
The lighting device is the lighting device according to attachment 8,
Furthermore, the operating method of Additional remark 14 which projects a projection image | video on the said projection optical system with the emitted light from the said light projection part.
(付記16)
付記13記載の作動方法により、付記1から6のいずれかに記載の光学素子から光を放出させ、
前記光学素子から前記画像表示部に前記光を入射させ、前記画像表示部から光が出射させることにより、画像を表示させる、付記10から12のいずれかに記載の画像表示装置の作動方法。(Appendix 16)
By the operation method according to appendix 13, light is emitted from the optical element according to any one of appendices 1 to 6,
The operation method of the image display device according to any one of
(付記17)
前記画像表示装置が、付記11記載の画像表示装置であり、
さらに、前記画像表示部からの出射光により前記投射光学系に投射映像を投射させる、付記16記載の作動方法。(Appendix 17)
The image display device is the image display device according to attachment 11,
Furthermore, the operating method of Additional remark 16 which projects a projection image | video on the said projection optical system with the emitted light from the said image display part.
この出願は、2012年7月31日に出願された日本出願特願2012−170684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。 This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2012-170684 for which it applied on July 31, 2012, and takes in those the indications of all here.
1、1r、1g、1b 光源装置
10、50 光学素子
20 発光素子
100 LEDプロジェクタ(画像表示装置)
102、203 発光層
103、106 誘電体層
104、205 プラズモン励起層
105、206 光学異方性層
107、207 波数ベクトル変換層
201a、201b 発光素子
202 ホール輸送層
204 電子輸送層
210 反射型偏光子
502r、502g、502b 液晶パネル
503 色合成光学素子
504 投射光学系1, 1r, 1g, 1b
102, 203
Claims (10)
前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、
前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子。A plasmon excitation layer capable of exciting surface plasmons;
An emission layer that is disposed above the plasmon excitation layer and that emits light generated on the upper surface of the plasmon excitation layer or surface plasmon into light having a predetermined emission angle;
Furthermore, an optically anisotropic layer is provided between the plasmon excitation layer and the emission layer,
The optical element in which the optically anisotropic layer has at least one optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers.
前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜しており、かつ、
前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向である、請求項1または2記載の光学素子。The optically anisotropic layer has biaxial optical anisotropy;
At least one of the two optical axes of the optically anisotropic layer is inclined with respect to the stacking direction of the layers, and
The direction of the principal axis having the largest difference in principal refractive index from the other principal axes among the principal axes of the optically anisotropic layer is the direction of the optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers. Or the optical element of 2.
光投射部と、
投射光学系とを含み、
前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能であり、
前記投射光学系は、前記光投射部からの出射光により投射映像を投射する照明装置。An optical element according to any one of claims 1 to 5,
A light projection unit;
Including projection optical system,
Light is incident on the light projection unit from the optical element, and light can be projected by emitting light from the light projection unit,
The projection optical system is an illuminating device that projects a projected image by light emitted from the light projection unit.
画像表示部とを含み、
前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である、画像表示装置。An optical element according to any one of claims 1 to 5,
Including an image display unit,
An image display device capable of displaying an image when light is incident on the image display unit from the optical element and emitted from the image display unit.
前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、
前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する、請求項1から5のいずれか一項に記載の光学素子の作動方法。The optical element according to any one of claims 1 to 5,
The light or surface plasmon generated on the upper surface of the plasmon excitation layer is converted into light or surface plasmon having a higher degree of linear polarization than the light or surface plasmon by the optical anisotropic layer,
6. The method of operating an optical element according to claim 1, wherein the light or surface plasmon having a high degree of linear polarization is converted into light having a predetermined emission angle by the emission layer and emitted.
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2013
- 2013-04-22 WO PCT/JP2013/061781 patent/WO2014020955A1/en active Application Filing
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Publication number | Publication date |
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WO2014020955A1 (en) | 2014-02-06 |
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