WO2012137584A1 - 光学素子、照明装置および投射型表示装置 - Google Patents

光学素子、照明装置および投射型表示装置 Download PDF

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phosphor layer
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昌尚 棗田
雅雄 今井
鈴木　尚文
瑞穂 冨山
慎 冨永
友嗣 大野
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日本電気株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0016—Grooves, prisms, gratings, scattering particles or rough surfaces
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
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    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources
    • G03B21/204—LED or laser light sources using secondary light emission, e.g. luminescence or fluorescence
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems

Definitions

  • the present invention relates to an optical element, an illumination device, and a projection display device.
  • Such a projector includes an LED, an illumination optical system into which light from the LED is incident, a modulation element that modulates and emits light from the illumination optical system in accordance with a video signal, and light from the modulation element on a screen. And a projection optical system for projecting onto the screen.
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • an illumination optical system there is an illumination optical system in which light emitted from an LED is incident on a phosphor and fluorescence generated by the phosphor is incident on a modulation element.
  • a projector using such an illumination optical system it is desired to increase the light intensity of fluorescence in order to increase the brightness of the projected image.
  • Non-Patent Document 1 There is an optical element described in Non-Patent Document 1 as a technique for increasing the light intensity of fluorescence.
  • a metal thin film and a dielectric layer having a grating structure are laminated on a substrate in this order.
  • the dielectric layer is coated with quantum dots that function as phosphors.
  • Non-Patent Document 1 in addition to photons extracted when there is no grating structure, photons extracted by diffraction of surface plasmons are added, so that the light intensity of fluorescence can be enhanced. For this reason, if the optical element described in Non-Patent Document 1 is applied to a fluorescent illumination device that performs illumination with fluorescence, the luminance of the fluorescent illumination device can be improved.
  • Non-Patent Document 1 When the optical element described in Non-Patent Document 1 is used for the illumination optical system of the projector, in addition to the optical element, light from the LED is incident on the optical element, or fluorescence generated by the optical element is incident on the modulation element. Therefore, an optical system such as a condensing lens is required, which causes a problem of increasing the size of the projector.
  • An object of the present invention is to provide an optical element capable of suppressing an increase in size while increasing the light intensity of fluorescence.
  • An optical element includes a light guide plate that propagates light incident from a light source, a phosphor layer that is provided on the light guide plate and generates fluorescence by light from the light guide plate, and is laminated on the phosphor layer. And a diffraction grating is formed at the interface between the light guide plate and the phosphor layer.
  • the lighting device of the present invention includes the above-described optical element and a light source that makes light incident on a light guide plate of the optical element.
  • the projection type image display device of the present invention has the illumination device described above.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a lighting device according to a first embodiment of the present invention. Note that in an actual lighting device, the thickness of each layer is very thin and the difference in thickness between the layers is large, so that it is difficult to illustrate each layer with an accurate scale and ratio. For this reason, in the drawings, the layers are not schematically drawn but are shown schematically.
  • the 1 includes a light source 1 that emits light and an optical element 2 on which the light emitted from the light source 1 is incident.
  • the light source 1 is, for example, an LED, and is disposed on the outer periphery of the optical element 2.
  • the light source 1 is disposed so as to contact the optical element 2, but may be disposed at a position away from the optical element 2, for example, optically via a light guide member such as a light pipe.
  • the optical element 2 may be connected.
  • the optical element 2 includes a light guide plate 21, a phosphor layer 22, a metal layer 23, and a dichroic mirror 24.
  • the light guide plate 21 receives light emitted from the light source 1 and propagates the incident light inside.
  • the light guide plate 21 is formed in a flat plate shape, and is provided so that the light source 1 contacts the side surface.
  • the side surface in contact with the light source 1 is referred to as an incident surface 31.
  • the shape of the light guide plate 21 is not limited to a flat plate shape.
  • the upper surface of the light guide plate 21 is the XY plane, and the direction orthogonal to the XY plane is the Z direction.
  • a phosphor layer 22 is provided on the upper surface of the light guide plate 21.
  • the light guide plate 21 is provided with an uneven structure 32 that functions as a diffraction grating at the interface with the phosphor layer 22.
  • the unevenness of the uneven structure 32 is arranged in a one-dimensional lattice shape, but other arrangements such as a triangular lattice shape may be used.
  • the phosphor layer 22 is provided on the upper surface of the light guide plate 21.
  • the phosphor layer 22 is a carrier generation layer that absorbs incident light incident from the light guide plate 21 to generate excitons (carriers) and generates fluorescence by the excitons.
  • the material of the phosphor layer 22 is preferably a nano inorganic phosphor such as a quantum dot phosphor, but may be an inorganic phosphor such as Eu, BaMgAlxOy: Eu, BaMgAlxOy: Mn, or an organic phosphor.
  • the light guide plate 21 has an uneven structure 32 that functions as a diffraction grating (grating) at the interface with the phosphor layer 22.
  • the concavo-convex structure 32 the concavo-convex portions are arranged in a one-dimensional lattice pattern. Note that the unevenness of the uneven structure may be arranged like a triangular lattice.
  • the metal layer 23 is laminated on the phosphor layer 22.
  • the material of the metal layer 23 include gold, silver, copper, platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, aluminum, Alternatively, they are made of these alloys.
  • the thickness of the metal layer 23 is preferably 200 nm or less, particularly preferably about 10 nm to 100 nm.
  • the dichroic mirror 24 is a wavelength selective member provided on the surface opposite to the surface on which the phosphor layer 22 of the light guide plate 21 is provided.
  • the dichroic mirror 24 reflects the light emitted from the light source 1, transmits the fluorescence generated in the phosphor layer 22, and emits only the fluorescence from the optical element 2.
  • FIG. 2 is a view for explaining the behavior of light in the illumination device 10, and shows a longitudinal section of the illumination device 10 shown in FIG. 1 cut along a YZ plane.
  • the light when light is emitted from the light source 1, the light enters the incident surface 31 of the light guide plate 21.
  • the light incident on the incident surface 31 is reflected by the dichroic mirror 24 and enters the phosphor layer 22.
  • a configuration in which light incident on the incident surface 31 is directly incident on the phosphor layer 22 may be employed.
  • Part of the light incident on the phosphor layer 22 is reflected by the phosphor layer 22 and returned to the light guide plate 21.
  • the light returned to the light guide plate 21 is reflected by the dichroic mirror 24 and reenters the phosphor layer 22.
  • the remainder of the light incident on the phosphor layer 22 is absorbed by the phosphor layer 22 and excitons are excited in the phosphor layer 22.
  • a part of the excitons is converted into fluorescence by being relaxed and emitted from the optical element 2.
  • the remaining part of the excitons excites surface plasmons at the interface between the metal layer 23 and the phosphor layer 22.
  • the excited surface plasmon is diffracted by the concavo-convex structure 32 and emitted from the optical element 2.
  • the wave number k spp is determined according to the dielectric constant distribution of the incident / exit portion of the optical element 2.
  • the entrance / exit portion is a dielectric constant distribution of a medium (in FIG. 1, the light guide plate 21 and the phosphor layer 22) closer to the light guide plate 21 than the metal layer 23.
  • ⁇ eff is an effective dielectric constant of the incident / exit portion.
  • the effective dielectric constant ⁇ eff is the incident / exit portion when the angular frequency of the fluorescence emitted from the phosphor layer 22 is ⁇ , the permittivity distribution of the incident / exit portion is ⁇ ( ⁇ , x, y, z), and the imaginary unit is j.
  • ⁇ eff is an effective dielectric constant of the incident / exit portion.
  • the effective dielectric constant ⁇ eff is the incident / exit portion when the angular frequency of the fluorescence emitted from the phosphor layer 22 is ⁇
  • the permittivity distribution of the incident / exit portion is ⁇ ( ⁇ , x, y, z)
  • the imaginary unit is j.
  • Re [] represents taking a real part in [].
  • the effective dielectric constant ⁇ eff may be calculated using the following equation. However, it is particularly desirable to use equation (3).
  • the wave number k spp can be obtained from the permittivity distribution ⁇ ( ⁇ , x, y, z) of the incident / exit portion. More specifically, the permittivity distribution ⁇ ( ⁇ , x, y, z) of the input / output portion is substituted into the equation (3), and an appropriate initial value is given to the effective permittivity ⁇ eff .
  • the actual effective dielectric constant ⁇ eff is calculated by repeatedly calculating the surface plasmon wavenumbers k spp and k spp, Z and the effective dielectric constant ⁇ eff using the equations (2) and (3).
  • the wave number k spp can be obtained from the actual effective dielectric constant ⁇ eff .
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the coupling efficiency between excitons and surface plasmons, the interaction distance from the excitons to the metal layer 23, and the dielectric constant of the light guide plate 21.
  • the coupling efficiency between excitons and surface plasmons indicates the ratio of excitons that excite surface plasmons among the excited excitons.
  • the distance from the surface of the phosphor layer 22 opposite to the metal layer 23 to the metal layer 23 is set to an effective interaction distance that is an interaction distance at which the surface plasmon intensity is e ⁇ 2 times the maximum value. That's fine.
  • the effective interaction distance d eff is an effective interaction distance at which the surface plasmon intensity is e ⁇ 2 times the maximum value. That's fine.
  • the effective interaction distance d eff in an actual optical element is on the order of several hundred nanometers, in order to increase the coupling efficiency of fluorescence and surface plasmon, particles of the fluorescent material that is the material of the phosphor layer 22 are used.
  • the diameter is preferably in the nanometer order.
  • the maximum value of the coupling efficiency between excitons and surface plasmons increases as the dielectric constant of the light guide plate 21 increases. For this reason, it is desirable that the dielectric constant of the light guide plate 21 is higher.
  • the real part of the effective dielectric constant of the incident / exit part exceeds the absolute value of the real part of the dielectric constant of the metal layer 23, the surface plasmon is not excited as shown in the equation (2).
  • the dielectric constant of the metal layer 12 has an imaginary part, even if the real part of the effective dielectric constant of the input / output part exceeds the absolute value of the real part of the dielectric constant of the metal layer 23, the surface plasmon is excited. However, if the difference between the absolute value of the real part of the effective dielectric constant of the incident / exit part and the real part of the dielectric constant of the metal layer 23 is large, the surface plasmon is not excited.
  • the optical element 2 includes the phosphor layer 22 provided on the light guide plate 21 and the metal layer 23 laminated on the phosphor layer 22, and the light guide plate 21 and the phosphor.
  • a diffraction grating is formed at the interface of the layer 22. Since excitons in the phosphor layer 22 excite surface plasmons at the interface between the phosphor layer 22 and the metal layer 23 and the surface plasmons can be extracted as fluorescence, the light intensity of the fluorescence can be increased. It becomes possible. Further, since the fluorescence emitted from the light guide plate 21 can be incident on the display element, the optical element 2 can be used as the illumination optical system of the projector, and the optical element 2 and the illumination optical system are integrally formed. Therefore, it is possible to suppress an increase in the size of the optical element.
  • the size of the exit surface of the optical element 2 can be made relatively small.
  • the optical element 2 can be easily manufactured. It becomes possible to do. Further, since the phosphor layer 22 can be produced by a screen printing process, the optical element 2 can be produced more easily.
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing a lighting device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the behavior of light in the illumination device according to the second embodiment of the present invention, and shows a longitudinal section obtained by cutting the illumination device shown in FIG. 4 along the YZ plane. .
  • FIG. 4 and FIG. 5 further includes a structure 33 in addition to the configuration shown in FIG.
  • the structure 33 is provided on the surface opposite to the surface on which the light guide plate 21 of the dichroic mirror 24 is provided.
  • the structure 33 suppresses reflection of fluorescence emitted from the phosphor layer 22 and improves the transmittance of fluorescence in the dichroic mirror 24.
  • Examples of the structure 33 include a photonic crystal, a moth-eye structure, and a lens array.
  • the fluorescence transmittance is improved by the structure 33, it is possible to improve the luminance of the fluorescence emitted from the illumination device 10 '.
  • FIG. 6 is a perspective view showing an illumination apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • the illumination device 10 ′′ shown in FIG. 6 is different from the illumination device 10 shown in FIG. 1 in that the phosphor layer 22 has metal fine particles 34.
  • the metal fine particles 34 increase the apparent absorbance of incident light incident on the phosphor layer 22.
  • the apparent absorbance is the absorbance when the phosphor layer 22 is regarded as a homogeneous layer and light is incident on the entire surface of the phosphor layer 22.
  • the metal fine particles 34 interact with the incident light to excite surface plasmons on the surface of the metal fine particles 34 and induce an enhanced electric field in the vicinity of the surface that is nearly 100 times larger than the electric field intensity of the incident light. . Since the excitons are also generated in the phosphor layer 22 by this enhanced electric field, the number of excitons in the phosphor layer 22 increases. For this reason, the metal fine particles 34 can increase the apparent absorbance of the incident light by the surface plasmons excited on the surface of the metal fine particles 34 and increase the light intensity of the fluorescence.
  • Examples of the material of the metal fine particles 34 include gold, silver, copper, platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, aluminum, Or these alloys etc. are mentioned.
  • gold, silver, copper, platinum, aluminum, or an alloy containing these as a main component is preferable, and gold, silver, aluminum, or an alloy containing these as a main component is particularly preferable.
  • the metal fine particles 34 may have a core-shell structure in which metal species are different in the periphery and the center, a hemispherical union structure in which two hemispheres are combined, or a cluster-in-cluster structure in which different clusters gather to form fine particles.
  • the resonance wavelength can be controlled without changing the size or shape of the fine particles.
  • the shape of the metal fine particles 34 may be any shape as long as it has a closed surface, such as a rectangular parallelepiped, a cube, an ellipsoid, a sphere, a triangular pyramid, and a triangular prism. Further, the metal fine particles 34 include those obtained by processing a metal thin film into a structure constituted by a closed surface having a side of less than 10 ⁇ m by fine processing typified by semiconductor lithography technology.
  • the light intensity of the fluorescence can be increased by the metal fine particles 34 in the phosphor layer 22, so that the luminance can be improved.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a projector using the illumination device.
  • the projector shown in FIG. 7 includes illumination devices 101A to 101C, display elements 102A to 102C, a color synthesis prism 103, and a projection lens 104.
  • the illuminating devices 101A to 101C are configured by the illuminating device 10 shown in FIG. 1, the illuminating device 10 ′ shown in FIG. 2, or the illuminating device 10 ′′ shown in FIG.
  • the body layer 22 generates fluorescence of different colors, for example, the phosphor layer 22 in each of the lighting devices 101A to 101C generates red, green, and blue fluorescence.
  • Each of the display elements 102A to 102C modulates the fluorescence from each of the illumination devices 101A to 101C in accordance with the video signal and outputs the modulated fluorescence to the color synthesis prism 103.
  • each of the display elements 102A to 102C is arranged so as to come into contact with the dichroic mirror 24 of each of the lighting devices 101A to 101C, but may be arranged at a position away from the dichroic mirror 24. .
  • the color synthesizing prism 103 synthesizes the fluorescence from each of the display elements 102A to 102C and emits it through the projection lens 104.

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Abstract

　蛍光の光強度を高くしつつ、大型化を抑制することが可能な光学素子を提供する。　導光板２１は、光源１から入射された光を伝播する。蛍光体層２２は、導光板２１に設けられ、導光板２１からの光によって蛍光を発生させる。金属層２３は、蛍光体層２２に積層される。蛍光体層２２と金属層２３との界面には、回折格子が形成される。

Description

光学素子、照明装置および投射型表示装置
　本発明は、光学素子、照明装置および投射型表示装置に関する。
　近年、光源としてＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）を用いたプロジェクタが注目されている。このようなプロジェクタは、ＬＥＤと、ＬＥＤからの光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。
　また、照明光学系としては、ＬＥＤの出射光を蛍光体に入射し、その蛍光体で発生した蛍光を変調素子に入射するものがある。このような照明光学系を用いたプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、蛍光の光強度を高くすることが望まれている。
　蛍光の光強度を高くする技術としては、非特許文献１に記載の光学素子がある。この光学素子では、基板に、金属薄膜、グレーティング構造を有する誘電体層の順で積層されている。また、誘電体層には、蛍光体として機能する量子ドットが塗布されている。
　光が量子ドットに入射すると、その入射光によって量子ドット内に励起子が励起される。励起子の一部は、蛍光を放射し、励起子の残りは、表面プラズモンの励起や電子－正孔対の生成に消費され、蛍光を放射せずに消失する。上記のように誘電体層がグレーティング構造を有していると、金属薄膜と誘電体層との界面に励起された表面プラズモンを回折して蛍光と同じ光で取り出すことができる。
　したがって、非特許文献１に記載の光学素子では、グレーティング構造がない場合に取り出される光子に加えて、表面プラズモンの回折によって取り出される光子が加わるので、蛍光の光強度を増強させることができる。このため、非特許文献１に記載の光学素子が、蛍光で照明を行う蛍光照明装置に適用されれば、蛍光照明装置の輝度を向上させること
が可能になる。
Ehren　Hwang，Igor　I．Smolyaninov，Christopher　C．Davis，NANO　LETTERS,　2010,　10　P813-820
　プロジェクタの照明光学系に非特許文献１に記載の光学素子を使用する場合、光学素子とは別に、ＬＥＤからの光を光学素子に入射させるためや、光学素子で発生した蛍光を変調素子に入射させるために、集光レンズのような光学系が必要となり、プロジェクタの大型化を招くという問題がある。
　本発明の目的は、蛍光の光強度を高くしつつ、大型化を抑制することが可能な光学素子を提供することである。
　本発明による光学素子は、光源から入射された光を伝播する導光板と、前記導光板に設けられ、前記導光板からの光によって蛍光を発生させる蛍光体層と、前記蛍光体層に積層された金属層と、を有し、前記導光板と前記蛍光体層との界面には、回折格子が形成されている。
　また、本発明の照明装置は、上記の光学素子と、前記光学素子の導光板に光を入射する光源と、を有する。
　また、本発明の投射型画像表示装置は、上記の照明装置を有する。
　本発明によれば、蛍光の光強度を高くしつつ、大型化を抑制することが可能になる。
本発明の第１の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の照明装置を模式的に示す縦断面図である。 励起子と表面プラズモンの結合効率と、励起子から金属層までの相互作用距離と、導光板の誘電率との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の照明装置を模式的に示す縦断面図である。 本発明の第３の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 照明装置を用いたプロジェクタの構成を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
　図１は、本発明の第１の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。なお、実際の照明装置では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。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、模式的に示されている。
　図１に示す照明装置１０は、光を出射する光源１と、光源１から出射された光が入射される光学素子２とを有する。
　光源１は、例えば、ＬＥＤなどであり、光学素子２の外周部に配置される。なお、図１では、光源１は光学素子２と接触するように配置されているが、光学素子２から離れた位置に配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材を介して光学的に光学素子２と接続されてもよい。
　光学素子２は、導光板２１と、蛍光体層２２と、金属層２３と、ダイクロイックミラー２４とを有する。
　導光板２１は、光源１から出射された光が入射され、その入射された光を内部で伝播する。本実施形態では、導光板２１は、平板状に形成され、側面に光源１が接触するように設けられている。以下、光源１と接触する側面を入射面３１とする。なお、導光板２１の形状は平板状に限定されるものではない。また、導光板２１の上面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。
　導光板２１の上面には、蛍光体層２２が設けられる。また、導光板２１には、蛍光体層２２との界面に回折格子として機能する凹凸構造３２が設けられる。凹凸構造３２の凹凸は、本実施形態では、１次元格子状に配置されているが、三角格子状のような他の配置でもよい。
　蛍光体層２２は、導光板２１の上面に設けられる。蛍光体層２２は、導光板２１から入射した入射光を吸光して励起子（キャリア）を生成し、その励起子によって蛍光を発生させるキャリア生成層である。蛍光体層２２の材料としては、量子ドット蛍光体などのナノ無機蛍光体が望ましいが、Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎなどの無機蛍光体や有機蛍光体でもよい。
　導光板２１は、蛍光体層２２との界面に回折格子（グレーティング）として機能する凹凸構造３２が形成される。本実施形態では、凹凸構造３２では、凹凸が１次元格子状に配置されている。なお、凹凸構造の凹凸は三角格子状のようなに配置されていてもよい。
　金属層２３は、蛍光体層２２に積層される。金属層２３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で形成される。また、金属層２３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。
　ダイクロイックミラー２４は、導光板２１の蛍光体層２２が設けられた面とは逆の面に設けられる波長選択性部材である。ダイクロイックミラー２４は、光源１から出射された光を反射し、蛍光体層２２で発生した蛍光を透過し、蛍光だけを光学素子２から出射する。
　図２は、照明装置１０における光の振る舞いを説明するための図であり、図１で示した照明装置１０をＹＺ平面で切断した縦断面が示されている。
　図２に示すように、光源１から光が出射されると、その光は導光板２１の入射面３１に入射する。入射面３１に入射した光は、ダイクロイックミラー２４で反射して蛍光体層２２に入射する。なお、入射面３１に入射した光が直接、蛍光体層２２に入射するような構成でもよい。
　蛍光体層２２に入射した光の一部は、蛍光体層２２で反射して導光板２１に戻される。導光板２１に戻された光は、ダイクロイックミラー２４で反射して蛍光体層２２に再入射する。
　また、蛍光体層２２に入射した光の残りは、蛍光体層２２で吸光され、蛍光体層２２内に励起子を励起する。励起子の一部は緩和することによって蛍光に変換されて光学素子２から出射される。励起子の残りの一部は、金属層２３および蛍光体層２２の界面の表面プラズモンを励起する。励起された表面プラズモンは、凹凸構造３２によって回折されて光学素子２から出射される。
　上記の表面プラズモンが励起されるためには、表面プラズモンの波数のＸおよびＹ成分の波数ｋsppと、回折格子の周期ｋgとが一致する必要がある。つまり、ｍを正の整数とすると、ｋspp＝ｍ・Ｋgが満たされる必要がある。
　波数ｋsppは、光学素子２の入出射部分の誘電率分布に応じて決定される。入出射部分は、金属層２３よりも導光板２１側にある媒質（図１では、導光板２１および蛍光体層２２）の誘電率分布である。
　金属層２３の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすると、表面プラズモンの波数のＸ成分およびＹ成分の波数ｋsppと、表面プラズモンの波数のＺ成分ｋspp,Zとは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 で表される。εeffは、入出射部分の実効誘電率である。実効誘電率εeffは、蛍光体層２２から出射する蛍光の角周波数をω、入出射部分の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、虚数単位をｊとすると、入出射部分の誘電率分布と、導光体２１側の金属層２３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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 で表される。ここで、Ｒｅ［］は、［］内の実部を取ることを表す。
　式（３）における積分範囲Ｄは、金属層２３の導光板２１側の３次元範囲である。より具体的には、積分範囲ＤのＸＹ平面の範囲は、金属層２３内の範囲であり、積分範囲のＺ方向の範囲は、金属層２３および蛍光体層２２の界面から導光板２１側の無限遠までの範囲である。なお、金属層２３および蛍光体層２２の界面をＺ＝０とし、この界面から導光板２１側へ遠ざかる方向を＋Ｚ方向としている。
　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（３）を用いる方が特に望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　式（１）、式（２）、式（３）を用いることで、入出射部分の誘電率分布ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）から波数ｋsppを求めることができる。より具体的には、入出射部分の誘電率分布ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）を式（３）に代入し、実効誘電率εeffに適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、表面プラズモンの波数ｋsppおよびｋspp,Zと実効誘電率εeffとを繰り返し算出していくことで、実際の実効誘電率εeffを算出し、その実際の実効誘電率εeffから波数ｋsppを求めることができる。
　したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、ｋspp＝ｍ・Ｋgが満たされるように、回折格子の周期と入出射部分の誘電率分布とを調整すれば、励起された表面プラズモンが効率的に取り出され、蛍光の増強効果を高くすることができる。
　図３は、励起子と表面プラズモンの結合効率と、励起子から金属層２３までの相互作用距離と、導光板２１の誘電率との関係を示す図である。なお、励起子および表面プラズモンの結合効率は、励起された励起子のうち表面プラズモンを励起する励起子の割合を示す。
　図３で示したように、励起子から金属層２３までの距離である相互作用距離が長いほど、励起子および表面プラズモンの結合効率は小さくなる。このため、励起子および表面プラズモンの結合効率が高くなるように、相互作用距離を調整して、表面プラズモンの強度を高くすることが望ましい。例えば、蛍光体層２２の金属層２３とは反対の面から金属層２３までの距離を、表面プラズモンの強度が最大値のｅ-2倍となる相互作用距離である有効相互作用距離程度にすればよい。なお、有効相互作用距離ｄeffは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 で表される。
　また、実際の光学素子における有効相互作用距離ｄeffは、数百ナノメートルオーダーとなるため、蛍光および表面プラズモンの結合効率を高くするためには、蛍光体層２２の材料である蛍光材料の粒子径は、ナノメートルオーダーであることが望ましい。
　また、図３で示したように、導光板２１の誘電率は高いほど、励起子および表面プラズモンの結合効率の最大値は大きくなる。このため、導光板２１の誘電率は高いほど望ましい。ただし、入出射部分の実効誘電率の実部が、金属層２３の誘電率の実部の絶対値を大きく超えないように設定する必要がある。入出射部分の実効誘電率の実部が金属層２３の誘電率の実部の絶対値を超えると、式（２）が示すとおり表面プラズモンが励起されない条件となる。実際は、金属層１２の誘電率は虚数部を持つため、入出射部分の実効誘電率の実部が金属層２３の誘電率の実部の絶対値を超えたとしても、表面プラズモンは励起されるが、入出射部分の実効誘電率の実部と金属層２３の誘電率の実部の絶対値の乖離が大きいと、表面プラズモンが励起されなくなる。
　以上説明したように本実施形態では、光学素子２は、導光板２１に設けられた蛍光体層２２と、蛍光体層２２に積層された金属層２３とを有し、導光板２１および蛍光体層２２の界面に回折格子が形成される。蛍光体層２２内の励起子によって蛍光体層２２と金属層２３との界面に表面プラズモンを励起し、その表面プラズモンも蛍光として取り出すことが可能になるので、蛍光の光強度を高くすることが可能になる。また、導光板２１から出射される蛍光を表示素子に入射することが可能になるので、光学素子２をプロジェクタの照明光学系として用いることが可能になり、光学素子２と照明光学系を一体成形することが可能になるため、光学素子の大型化を抑制することが可能になる。
　また、蛍光の光強度を高くすることが可能になるので、光学素子２の出射面の大きさを比較的小さくすることが可能になる。
　また、本実施形態では、導光板２１に凹凸構造３２を設けるだけで、導光板２１と蛍光体層２２との界面に回折格子を生成することが可能になるので、簡単に光学素子２を作製することが可能になる。また、蛍光体層２２をスクリーン印刷プロセスで作製することが可能になるので、より簡単に光学素子２を作製することが可能になる。
　次に本発明の他の実施形態について説明する。
　図４は、本発明の第２の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。また、図５は、本発明の第２の実施形態の照明装置における光の振る舞いを説明するための図であり、図４で示した照明装置をＹＺ平面で切断した縦断面が示されている。
　図４および図５に示す照明装置１０’は、図１で示した構成に加えて、構造体３３をさらに有する。
　構造体３３は、ダイクロイックミラー２４の導光板２１が設けられた面の反対の面に設けられる。構造体３３は、蛍光体層２２から出射された蛍光の反射を抑制して、ダイクロイックミラー２４における蛍光の透過率を向上させる。構造体３３としては、フォトニック結晶、モスアイ構造およびレンズアレイなどが挙げられる。
　本実施形態によれば、構造体３３によって蛍光の透過率が向上するので、照明装置１０’から出射される蛍光の輝度を向上させることが可能になる。
　図６は、本発明の第３の実施形態の照明装置を示す斜視図である。図６で示す照明装置１０”は、蛍光体層２２が金属微粒子３４を有している点で、図１で示した照明装置１０とは異なる。
　金属微粒子３４は、蛍光体層２２に入射される入射光の見かけの吸光度を増大させる。見かけの吸光度とは、蛍光体層２２を、均質な層とみなし、蛍光体層２２全面に光を入射させたときの吸光度である。金属微粒子３４は、入射光と相互作用することにより、金属微粒子３４の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に入射光の電場強度に対して１００倍近くの大きさの増強電場を誘起する。この増強電場によっても蛍光体層２２内に励起子が生成されるので、蛍光体層２２内の励起子の数が増加する。このため、金属微粒子３４は、自身の表面に励起された表面プラズモンによって、入射光の見かけの吸光度を増大させて、蛍光の光強度を増大させることができる。
　金属微粒子３４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、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。金属微粒子３４はその周辺と中心で金属種の異なるコアシェル構造、２種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微粒子を作るクラスター・イン・クラスター構造でもよい。金属微粒子３４を合金または、これら特殊構造とすることで、微粒子の寸法や、形状を変化させなくとも、共鳴波長を制御できる。
　金属微粒子３４の形状としては、直方体、立方体、楕円体、球体、三角錐および三角柱など、閉じた表面を有する形状であればどのような形状でも良い。また、金属微粒子３４には、半導体リソグラフィ技術に代表される微細加工によって、金属薄膜を一辺が１０μｍ未満の閉じた面で構成される構造体に加工したものも含まれる。
　本実施形態によれば、蛍光体層２２内の金属微粒子３４によって蛍光の光強度を増大させることが可能になるので、輝度を向上させることが可能になる。
　次に照明装置を用いたプロジェクタ（投射型画像表示装置）について説明する。
　図７は、照明装置を用いたプロジェクタの構成を示す図である。図７に示すプロジェクタは、照明装置１０１Ａ～１０１Ｃと、表示素子１０２Ａ～１０２Ｃと、色合成プリズム１０３と、投射レンズ１０４とを有する。
　照明装置１０１Ａ～１０１Ｃは、図１で示した照明装置１０、図２で示した照明装置１０’または図６で示した照明装置１０”で構成される。なお、各照明装置１０１Ａ～１０１Ｃにおける蛍光体層２２は、それぞれ異なる色の蛍光を発生させる。例えば、各照明装置１０１Ａ～１０１Ｃにおける蛍光体層２２は、赤色、緑色および青色のそれぞれの蛍光を発生させる。
　表示素子１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれは、照明装置１０１Ａ～１０１Ｃのそれぞれからの蛍光を映像信号に応じて変調して色合成プリズム１０３に出射する。なお、図６では、表示素子１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれは、照明装置１０１Ａ～１０１Ｃのそれぞれのダイクロイックミラー２４と接触するように配置されているが、ダイクロイックミラー２４から離れた位置に配置されてもよい。
　色合成プリズム１０３は、表示素子１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれからの蛍光を合成して投射レンズ１０４を介して出射する。
　以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
　この出願は、２０１１年４月７日に出願された日本出願特願２０１１－０８５３７０号公報、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２－００１３２１号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１　　　　光源
　２　　　　光学素子
　１０、１０’、１０”、１０１Ａ～１０１Ｃ　　照明装置
　２１　　　導光板
　２２　　　蛍光体層
　２３　　　金属層
　２４　　　ダイクロイックミラー
　３１　　　入射面
　３２　　　凹凸構造
　３３　　　構造体
　３４　　　微粒子
　１０２Ａ～１０２Ｃ　　表示素子
　１０３　　色合成プリズム
　１０４　　投射レンズ

 

Claims (9)

  1. 　光源から入射された光を伝播する導光板と、
    　前記導光板に設けられ、前記導光板からの光によって蛍光を発生させる蛍光体層と、
    　前記蛍光体層に積層された金属層と、を有し、
    　前記導光板と前記蛍光体層との界面には、回折格子が形成されている、光学素子。
  2. 　請求項１に記載の光学素子において、
    　前記導光板の前記蛍光体層が設けられた面の逆の面に設けられ、前記光源から入射された光を反射し、前記蛍光体層から発生した蛍光を透過して出射する波長選択性部材をさらに有する光学素子。
  3. 　請求項２に記載の光学素子において、
    　前記波長選択性部材に設けられ、前記蛍光の反射を抑制する構造体をさらに有する光学素子。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記回折格子は、前記導光板に形成された凹凸構造である、光学素子。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記蛍光体層は、前記導光板からの光によって表面プラズモンが励起される金属微粒子
    を有する、光学素子。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記金属層の前記導光体側の実効誘電率は、前記金属層よりも前記導光体側にある媒質の実効誘電率の実部が前記金属層の誘電率の実部の絶対値を超えない範囲の上限である、光学素子。
  7. 　前記実効誘電率が
    　前記金属層よりも前記導光体側にある媒質の誘電体の誘電率分布と、
    　前記金属層よりも前記導光体側にある媒質中での前記金属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６に記載の光学素子。
  8. 　請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記光学素子の導光板に光を入射する光源と、を有する照明装置。
  9. 　請求項８に記載の照明装置を有する投射型画像表示装置。
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