WO2014013712A1 - 光学装置およびそれを用いた表示装置 - Google Patents

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WO2014013712A1
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light
layer
light guide
guide layer
optical device
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慎 冨永
雅雄 今井
昌尚 棗田
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日本電気株式会社
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    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
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    • G—PHYSICS
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    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • G02B6/0055—Reflecting element, sheet or layer

Definitions

  • the present invention relates to an optical device and a display device using the same.
  • the LED projector includes an LED, an illumination optical system into which light emitted from the LED is incident, a modulation element that modulates and emits light from the illumination optical system according to a video signal, and projects light from the modulation element onto a screen. And a projection optical system.
  • Such an LED projector is required to efficiently use the light emitted from the light source as the projection light in order to increase the brightness of the projected image.
  • the etendue obtained by the product of the light emitting area and the radiation angle of the light source has an acquisition angle determined by the light receiving area of the modulation element and the F number of the illumination optical system. Must be less than product value.
  • a modulation element having polarization dependency such as a liquid crystal panel may be used.
  • the emitted light of the LED is random polarized light
  • Patent Document 1 can be exemplified as a technique for converting random polarization into a specific polarization state.
  • a planar optical device disclosed in Patent Document 1 includes a light guide 10, a polarization direction changing member 13 provided on the lower surface of the light guide 10, and a stepped microprism 14 as shown in FIG.
  • the polarization separation film 11 has a configuration in which a metal thin film is sandwiched between a first low refractive index transparent medium and a second low refractive index transparent medium.
  • the light emitted from the LED 2 enters the light guide 10 and propagates through the light guide 10 while being angle-converted by the microprism 14.
  • incident light is totally reflected at the first boundary, which is the boundary between the light guide 10 and the first low-refractive-index transparent medium, surface plasmons are excited in the metal thin film by the evanescent wave generated at that time.
  • the above planar optical device among the light incident on the first boundary, the light that excites the surface plasmon is only P-polarized light whose electric field component is parallel to the first boundary.
  • the light generated at the second boundary is generated by the reverse process of the excitation process of the surface plasmon, and thus has the same P polarization as the light that excites the surface plasmon. Therefore, the above planar optical device can emit random polarized light after converting it into a specific polarization state.
  • the light traveling in the light guide 10 is propagated not only in a specific direction but also in various directions, and enters the first boundary surface from various directions. To do.
  • surface plasmons propagating in various directions are generated in the plane of the metal thin film surface, and light generated at the second boundary is emitted in various directions. For this reason, there is a problem that it is difficult to obtain light in a specific polarization state, which is a low etendue state in which the emission direction is set in a specific direction.
  • a main object of the present invention is to provide an optical device and a display device that can convert random polarized light with high etendue into light of a specific polarization state with low etendue.
  • an optical device includes a light guide layer having a periodic structure on a first surface and a metal layer provided on the first surface, and the light guide layer guides light. At least one incident surface that is incident on the inside of the layer, and at least one emission surface that emits light inside the light guide layer to the outside of the light guide layer, excluding the incident surface and the first surface. It is characterized by including.
  • the present invention it is possible to convert random polarized light having a high etendue into light having a specific polarization state, which is a low etendue state in which the emission direction is set to a specific direction.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an optical device according to a first embodiment of the present invention. It is explanatory drawing explaining operation
  • FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the operation of the planar optical device of Patent Document 1.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an optical device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the thickness of each layer is very thin and the difference in thickness between the layers is large, so 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 optical device 100 includes a light source 101, a light guide layer 102, and a metal layer 103.
  • the light source 101 is disposed on the outer periphery of the light guide layer 102 and emits randomly polarized light to the light guide layer 102.
  • the light source 101 may be disposed at a position away from the light guide layer 102, may be disposed so as to contact the light guide layer 102, or optically via a light guide member such as a light pipe.
  • the light guide layer 102 may be connected.
  • the upper surface (first surface) of the light guide layer 102 is provided with a one-dimensional periodic structure, and has a specific incident angle with respect to the periodic structure in the light guide layer 102 described later and the period of the periodic structure.
  • the P-polarized light having the main component in the direction parallel to the direction is diffracted through the surface plasmon, and is emitted to the outside from the lower surface (emission surface) of the light guide layer 102.
  • the light guide layer 102 is made of a transparent material that transmits at least visible light, and serves as a medium that propagates light. Further, as will be described later, the light guide layer 102 has a specific refractive index described later with respect to visible light.
  • the metal layer 103 is made of a material that does not transmit at least visible light, and the single metal layer reflects light. As will be described later, the metal layer 103 is formed of a metal capable of exciting surface plasmons on the surface by visible light.
  • the light guide layer 102 receives light emitted from the light source 101 and propagates the incident light inside.
  • a structure having a period in the X direction, extending in the Y direction, and having irregularities in the Z direction is formed on the upper surface of the light guide layer 102 as a one-dimensional periodic structure.
  • the light guide layer 102 is formed of, for example, a dielectric having a refractive index of about 1.46 to about 1.50 with respect to visible light. Examples include acrylic resins such as quartz glass, PET (polyethylene terephthalate), and PMMA (polymethyl methacrylate resin).
  • the periodic structure of the upper surface of the light guide layer 102 has a period of about 220 nm to about 400 nm and an unevenness depth of about 120 nm or less.
  • the refractive index of the light guide layer 102 is not limited to about 1.46 or more and about 1.50 or less. More specifically, it is sufficient that the diffraction angle of reflected diffracted light from the metal layer 103 to be described later is smaller than the critical angle at the interface between the lower surface of the light guide layer 102 and the outside of the light guide layer 102, and a P polarization component to be described later It is sufficient that the intensity of is higher than the intensity of the S-polarized component.
  • the thickness of the light guide layer 102 is about 0.5 mm as a guide, it functions without any problem.
  • the thickness of the light guide layer 102 is not particularly limited.
  • the period of the periodic structure on the upper surface of the light guide layer 102 is not limited to about 250 nm or more and about 400 nm or less. More specifically, it is sufficient that the diffraction angle of reflected diffracted light from the metal layer 103 to be described later is smaller than the critical angle at the interface between the lower surface of the light guide layer 102 and the outside of the light guide layer 102, and a P polarization component to be described later. It is sufficient that the intensity of is higher than the intensity of the S-polarized component.
  • the shape of the light guide layer 102 is a flat plate shape in the present embodiment, but is not limited to a flat plate shape, and may be a wedge shape or a sawtooth wave shape.
  • the metal layer 103 is formed of a metal that can excite surface plasmons on the surface by visible light.
  • An example is Ag (silver).
  • the thickness of the metal layer 103 is about 500 nm or more and about 2 ⁇ m or less.
  • the metal layer 103 is not limited to Ag, but may be Al (aluminum) or Au (gold). More specifically, surface plasmons may be excited at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 described later. Further, the thickness of the metal layer 103 is not limited to about 500 nm or more and about 2 ⁇ m or less. More specifically, it is sufficient that the energy of the surface plasmon generated at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103, which will be described later, is so thick that it does not ooze out to the upper surface of the metal layer 103. It only needs to be thick enough to reflect light and S-polarized light.
  • the optical device 100 can be manufactured by the following procedure, for example. First, a one-dimensional concavo-convex structure is formed on the upper surface of quartz glass using a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint, and Ag is formed thereon by a vapor deposition method such as sputtering. However, it is not limited to photolithography, nanoimprint, and vapor deposition.
  • a bonding layer such as Ti may be provided at a thickness of about 5 nm or less at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 in order to enhance the bonding property.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the optical device 100 in detail.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view orthogonal to the Y axis of the optical device 100.
  • the light A is P-polarized light, that is, light whose electric field vibration direction is parallel to the ZX plane.
  • the light B is S-polarized light, that is, light in which the vibration direction of the electric field is orthogonal to the ZX plane.
  • Surface plasmons are dense waves of a group of electrons that propagate through the interface between a metal and a dielectric.
  • ⁇ the angular frequency of light in vacuum
  • c the wave number of light in vacuum
  • the dispersion relationship which is the relationship between the angular frequency of the surface plasmon and the wave number
  • the dispersion relationship of the light propagating in the dielectric that is, the wave number of the light of a specific wavelength existing in the dielectric is the wave number of the surface plasmon.
  • the surface plasmon is excited by the light.
  • the surface plasmon dispersion relationship does not match the light dispersion relationship in the dielectric. Therefore, even if light is incident on the metal from the dielectric, the surface plasmon is not excited. Therefore, in order to excite the surface plasmon, it is necessary to change the dispersion relation of the light in the dielectric so that the dispersion relation of the surface plasmon and the dispersion relation of the light in the dielectric coincide.
  • a grating coupling method in which a diffraction grating (grating) is provided at the interface between a metal and a dielectric is known.
  • the wave number of the light diffracted by the diffraction grating is parallel to the periodic direction of the diffraction grating.
  • the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 has a one-dimensional periodic structure having a period in the X direction.
  • the wave number component k x, d of light diffracted from the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 is expressed by using an integer m 2 .
  • k x, d k SP + m 2 K (3) It is expressed.
  • the wave number k x, d of light diffracted from the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 is parallel to the wave number component of the surface plasmon excited at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103.
  • the diffracted light has an electric field component in the X direction, similar to the light incident on the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103, and the periodic structure at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103. Is P-polarized light having a specific diffraction angle ⁇ 2 .
  • the P-polarized light diffracted at the diffraction angle ⁇ 2 at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 propagates through the light guide layer 102 and enters the lower surface of the light guide layer 102 at an incident angle ⁇ 3 .
  • P-polarized light and S-polarized light that do not excite surface plasmons at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 are diffracted or mirror-reflected by the metal layer 103, and the light guide layer 102 is within the light guide layer 102.
  • the light is guided while being totally reflected between the upper surface of the light guide layer 102 and the lower surface of the light guide layer 102, and is not emitted from the lower surface of the light guide layer 102 to the outside of the light guide layer 102.
  • the light existing in the YZ plane in the light guide layer 102 is diffracted or specularly reflected by the metal layer 103 and guided while being totally reflected between the upper surface of the light guide layer 102 and the lower surface of the light guide layer 102. The light is not emitted from the lower surface of the light guide layer 102 to the outside of the light guide layer 102.
  • the incident angle of the projected light projected onto the ZX plane is the excitation of the surface plasmon. If the angle satisfies the condition, light having a specific polarization component can be obtained.
  • the surface plasmon having a specific wave number in the X direction is excited at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 by the polarization component parallel to the X direction. Further, part of the surface plasmon is diffracted at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 and is extracted from the light guide layer 102 as light having a specific polarization component in the X direction.
  • FIG. 3 shows an example of a cross section in the ZX plane of the periodic structure at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 in the present embodiment.
  • the periodic structure at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 (a) rectangular shape, (b) stepped shape, and (c) sinusoidal shape can be used. Further, any plurality of shapes (a) rectangular shape, (b) stepped shape, and (c) sinusoidal shape may be mixed in the periodic structure.
  • FIG. 4 is a graph illustrating an example of a simulation result for confirming the effect of the optical device 100. The simulation is performed for an example of the first embodiment and does not limit the present invention.
  • the diffraction angle ⁇ 2 indicates a range within the critical angle ⁇ c at the interface between the lower surface of the light guide layer 102 and the outside of the light guide layer 102 described later.
  • RCWA method Rigorous Coupled Wave Analysis method
  • the light guide layer 102 is PET having a refractive index of 1.46.
  • the metal layer 103 is made of Ag and has a thickness of 2 ⁇ m.
  • the periodic structure at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 has a rectangular shape shown in FIG. 3A, a depth of 60 nm, and a pitch of 300 nm.
  • the outside of the light guide layer 102 was air having a refractive index of 1.
  • the full width at half maximum of the diffraction efficiency in the light guide layer 102 of the P-polarized component is about 20.0 deg, and the interface between the lower surface of the light guide layer 102 and the outside of the light guide layer 102
  • the full width at half maximum in air after passing through is about 33.0 deg. Therefore, it can be confirmed that light having a high angle selectivity can be obtained as compared with the full width at half maximum (45.0 deg) of the emitted light having a Lambertian distribution like LED in the air.
  • the P-polarized component is more than four times larger, so that light having polarization selectivity can be obtained. I can confirm.
  • a second embodiment of the present invention will be described.
  • description is abbreviate
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing an optical device 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the optical device 200 shown in FIG. 5 includes a dielectric layer (first dielectric layer) 204 between the light guide layer 102 and the metal layer 103 as compared to the optical device 100 of the first embodiment. The point is different.
  • the dielectric layer 204 is made of a transparent material that transmits at least visible light, and serves as a light propagation medium. Further, the dielectric layer 204 has a specific refractive index to be described later with respect to visible light.
  • the lower surface of the dielectric layer 204 is in contact with the light guide layer 102 and has a periodic structure.
  • the upper surface of the dielectric layer 204 is flat. Note that the upper surface of the dielectric layer 204 is not flat and may have a random uneven structure or a periodic structure.
  • the dielectric layer 204 may have a portion with a thickness in the Z direction of zero. That is, the light guide layer 102 and the metal layer 103 may be in contact with each other at the convex portion on the upper surface of the light guide layer 102.
  • the dielectric layer 204 has a refractive index different from that of the light guide layer 102.
  • the dielectric layer 204 is air having a refractive index of 1, for example.
  • the dielectric layer 204 is not limited to a refractive index of 1.
  • the optical device 200 can be manufactured, for example, by the following procedure.
  • a one-dimensional concavo-convex structure is formed on the upper surface of the quartz glass by a microfabrication technique such as photolithography or nanoimprinting to form a substrate A.
  • Ag is formed on the surface of the Si substrate or the like by a vapor deposition method such as sputtering to obtain a substrate B.
  • the substrate A and the substrate B are bonded to the one-dimensional concavo-convex structure of the quartz glass and the Ag layer of the Si substrate by a bonding method such as optical carving.
  • a bonding method such as optical carving.
  • the manufacturing method of the optical device 200 according to the first embodiment is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, or optical carving.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view orthogonal to the Y axis of the optical device 200.
  • the light A is P-polarized light, that is, light whose electric field vibration direction is parallel to the ZX plane.
  • the light B is S-polarized light, that is, light in which the vibration direction of the electric field is orthogonal to the ZX plane.
  • the wave number k x, d of light diffracted from the interface between the light guide layer 102 and the dielectric layer 204 is parallel to the wave number component of the surface plasmon excited at the interface between the dielectric layer 204 and the metal layer 103.
  • the diffracted light has an electric field component in the X direction, and the period of the interface between the light guide layer 102 and the dielectric layer 204, similar to the light incident on the interface between the light guide layer 102 and the dielectric layer 204.
  • P-polarized light having a specific diffraction angle ⁇ 2 with respect to the structure.
  • P-polarized light and S-polarized light that do not excite surface plasmons at the interface between the dielectric layer 204 and the metal layer 103 are mirror-reflected by the metal layer 103, and the upper surface of the light guide layer 102 in the light guide layer 102.
  • the light is guided while being totally reflected between the light guide layer 102 and the lower surface of the light guide layer 102, and is not emitted from the lower surface of the light guide layer 102 to the outside of the light guide layer 102.
  • the incident angle of the projected light that projects the light on the ZX plane is the surface plasmon If the angle satisfies the excitation condition, light having a specific polarization component can be obtained.
  • the surface plasmon having a specific wave number in the X direction is excited at the interface between the dielectric layer 204 and the metal layer 103 by the polarization component parallel to the X direction. Further, a part of the surface plasmon is diffracted at the interface between the light guide layer 102 and the dielectric layer 204 and is extracted from the light guide layer 102 as light having a specific polarization component in the X direction.
  • the metal layer 103 is formed on the light guide layer 102, for example, as in the first embodiment. Even when it is difficult to provide directly, the periodic structure at the interface between the upper surface of the light guide layer 102 and the dielectric layer 204 and the grating at the interface between the dielectric layer 204 and the metal layer 103 through the dielectric layer 204.
  • the combination method By applying the combination method, light having high angle selectivity and polarization selectivity and having a polarization component in a specific direction can be obtained.
  • FIG. 7 is a graph illustrating an example of a simulation result for confirming the effect of the optical device 200. The simulation is performed for an example of the second embodiment and does not limit the present invention.
  • the diffraction angle ⁇ 2 indicates a range within the critical angle ⁇ c at the interface between the lower surface of the light guide layer 102 and the outside of the light guide layer 102 described later.
  • RCWA method Rigorous Coupled Wave Analysis method
  • the light guide layer 102 is PET having a refractive index of 1.46.
  • the metal layer 103 is made of Ag and has a thickness of 2 ⁇ m.
  • the dielectric layer 204 was air and had a thickness of 60 nm.
  • the shape of the periodic structure at the interface between the light guide layer 102 and the dielectric layer 204 was a rectangular shape shown in FIG. 3A, the depth was 60 nm, and the pitch was 300 nm. That is, on the upper surface of the light guide layer 102, the convex portion is in contact with the metal layer 103, and the lower surface of the metal layer 103 is flat.
  • the outside of the light guide layer 102 was air having a refractive index of 1.
  • the full width at half maximum of the diffraction efficiency in the light guide layer 102 for the P-polarized light component is about 3.0 deg for the diffracted light D1 obtained in the vicinity of ⁇ 23.0 deg, and about 8.8 for the diffracted light D2 obtained in the vicinity of +21.0 deg. 0 deg.
  • the full width at half maximum in air after passing through the interface between the lower surface of the light guide layer 102 and the outside of the light guide layer 102 is about 5.0 deg for the diffracted light D1 and about 13.0 deg for the diffracted light D2. . Therefore, it can be confirmed that light having a high angle selectivity can be obtained as compared with the full width at half maximum (45.0 deg) of the emitted light having a Lambertian distribution like LED in the air.
  • the P-polarized component is about 1.7 times the diffracted light D1 and about 3 times the diffracted light D2. Since it is 3 times larger, it can be confirmed that light having polarization selectivity can be obtained.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing an optical device 300 according to the third embodiment of the present invention.
  • the optical device 300 shown in FIG. 8 is provided with a phase modulation layer 305 on the lower surface of the light guide layer 102 and the phase modulation layer 306 outside the lower surface of the light guide layer 102 as compared with the optical device 100 of the first embodiment. Is different. Note that the phase modulation layer 305 may be provided not inside the light guide layer 102 but inside the light guide layer 102. Further, the dielectric layer shown in the second embodiment may be provided between the light guide layer 102 and the metal layer 103.
  • the phase modulation layers 305 and 306 are made of a transparent material that transmits at least visible light, and serve as a medium that propagates light.
  • the phase modulation layers 305 and 306 have an optical axis in the XY plane, and give a phase difference to a component in a direction perpendicular to a component parallel to the optical axis of the phase modulation layer of transmitted light.
  • a ⁇ / 4 plate can be used as an example of such phase modulation layers 305 and 306, a ⁇ / 4 plate can be used.
  • the optical device 300 can be manufactured by the following procedure, for example. First, a one-dimensional concavo-convex structure is formed on the upper surface of quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint, and Ag is formed thereon by a vapor deposition method such as sputtering. Further, a ⁇ / 4 plate layer is provided on the lower surface of the quartz glass by optical carving, and the ⁇ / 4 plate is disposed outside the lower surface of the quartz glass.
  • the manufacturing method of the optical device 300 is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, and optical carving.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view orthogonal to the Y axis of the optical device 100.
  • the light A is P-polarized light, that is, light whose electric field vibration direction is parallel to the ZX plane.
  • the light B is S-polarized light, that is, light in which the vibration direction of the electric field is orthogonal to the ZX plane.
  • the critical angle at the interface between the lower surface of the phase modulation layer 305 and the outside of the phase modulation layer 305 with respect to the light existing in the light guide layer 102 is the light guide except for the phase modulation layer 305.
  • the critical angle at the interface between the layer 102 and the outside of the phase modulation layer 305 can be considered the same.
  • phase modulation layer 305 is transmitted through the phase modulation layer 305 and outside the phase modulation layer 305.
  • the P-polarized light transmitted through the phase modulation layer 305 is phase-modulated by the phase modulation layer 305 and converted from linearly polarized light to circularly polarized light.
  • the light converted into circularly polarized light enters the phase modulation layer 306 and passes through the phase modulation layer 306.
  • the circularly polarized light transmitted through the phase modulation layer 306 is phase-modulated by the phase modulation layer 306 and converted into linearly polarized light.
  • the light that is not emitted to the outside of the light guide layer 102 but is multiply reflected in the light guide layer 102 and the phase modulation layer 305 is transmitted from the phase modulation layer 305 and converted from linearly polarized light to circularly polarized light.
  • the light converted into circularly polarized light is totally reflected at the interface between the phase modulation layer 305 and the outside of the phase modulation layer 305, and is incident on the phase modulation layer 305 again.
  • the light passes through the phase modulation layer 305 again, it becomes linearly polarized light in a direction orthogonal to the forward path and enters the light guide layer 102.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing an optical device 400 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the optical device 400 shown in FIG. 10 includes an angle conversion layer 407 on the lower surface of the light guide layer 102 as compared to the optical device 100 of the first embodiment. Note that the dielectric layer described in the second embodiment may be provided between the light guide layer 102 and the metal layer 103.
  • the angle conversion layer 407 of the present invention is made of a transparent material that transmits at least visible light, and serves as a medium that propagates light. Further, the angle conversion layer has a specific refractive index described later with respect to visible light. The angle conversion layer 407 converts the propagation angle of the incident light at least with respect to the X direction component.
  • Examples of the angle conversion layer 407 include a plurality of prisms having periodicity in the X direction and extending in the Y direction. Another example of the angle conversion layer 407 includes a single prism extending in the Y direction.
  • the refractive index of the angle conversion layer 407 is equal to the refractive index of the light guide layer 102, but is not particularly limited.
  • the optical device 400 can be manufactured, for example, by the following procedure. First, a one-dimensional concavo-convex structure is formed on the upper surface of quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint, and Ag is formed thereon by a vapor deposition method such as sputtering. In addition, a prism is provided on the lower surface of the quartz glass by optical carving.
  • a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint
  • Ag is formed thereon by a vapor deposition method such as sputtering.
  • a prism is provided on the lower surface of the quartz glass by optical carving.
  • the manufacturing method of the optical device 400 is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, and optical carving.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the optical device 400 perpendicular to the Y axis.
  • the P-polarized light diffracted at the diffraction angle ⁇ 2 at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 propagates through the light guide layer 102 and enters the angle conversion layer 407 at an incident angle ⁇ 3 .
  • the light that has entered the angle conversion layer 407 enters the lower surface of the angle conversion layer 407 at an incident angle ⁇ 3 .
  • ⁇ is an angle formed between the lower surface of the angle conversion layer 407 and the lower surface of the light guide layer 102
  • the light incident on the angle conversion layer 407 is angle converted.
  • the light is emitted to the outside of the layer 407.
  • the angle conversion layer 407 converts the angle of light that does not exit the angle conversion layer 407 that does not satisfy the plasmon excitation condition at the interface between the light guide layer 102 and the metal layer 103 to the light guide layer 102.
  • the light use efficiency can be increased as compared with the optical device 100 of the first embodiment.
  • the optical device 500 is different from the optical device 300 of the third embodiment in that the angle conversion layer 407 described in the fourth embodiment is additionally provided.
  • the dielectric layer described in the second embodiment may be provided between the light guide layer 102 and the metal layer 103.
  • the optical device 500 can be manufactured by the following procedure, for example. First, a one-dimensional concavo-convex structure is formed on the upper surface of quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint, and Ag is formed thereon by a vapor deposition method such as sputtering.
  • a ⁇ / 4 plate and a prism are provided by optical carving on the lower surface of the quartz glass, and the ⁇ / 4 plate is disposed outside the lower surface of the quartz glass.
  • the manufacturing method of the optical device 500 is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, or optical carboxylating.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing an optical device 600 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the optical device 600 is different from the optical device 500 of the fifth embodiment in that a polarizer layer 608 is additionally provided.
  • the polarizer layer 608 is disposed on the lower surface side of the phase modulation layer 306, and its optical axis exists in the XY plane. Then, the polarized light having the main component in the X direction is transmitted, and the polarized light having the main component in the Y direction is reflected or absorbed to be blocked.
  • polarizer layer 608 As the polarizer layer 608, a wire grid, a multilayer structure of PVA (polyvinyl alcohol) or TAC (triacetyl cellulose), a photonic crystal, or the like can be used.
  • the example of the polarizer layer 608 is not limited to a multilayer structure of PVA (polyvinyl alcohol) or TAC (triacetyl cellulose), a wire grid, or a photonic crystal.
  • the optical device 500 can be manufactured, for example, by the following procedure. First, a one-dimensional concavo-convex structure is formed on the upper surface of quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint, and Ag is formed thereon by a vapor deposition method such as sputtering. Further, a ⁇ / 4 plate and a prism are provided on the lower surface of the quartz glass by optical carving, and a wire grid in which the ⁇ / 4 plate is bonded to the lower surface of the quartz glass by optical carving is disposed.
  • a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint
  • Ag is formed thereon by a vapor deposition method such as sputtering.
  • a ⁇ / 4 plate and a prism are provided on the lower surface of the quartz glass by optical carving, and a wire grid in which the ⁇ / 4 plate is bonded to the lower surface of the quartz glass by optical carving is disposed.
  • the manufacturing method of the optical device 500 according to the fifth embodiment is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, or optical carving.
  • the polarizer layer 608 transmits the P-polarized light diffracted at the interface between the upper surface of the light guide layer 102 and the metal layer 103 and blocks the S-polarized light. Therefore, the optical device 500 of the fifth embodiment.
  • the polarization selectivity can be increased compared to the above.
  • FIG. 14 is a perspective view schematically showing an optical device 700 according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the optical device 700 is different from the optical devices 100 to 600 of the first to sixth embodiments except for an entrance 709 that is an incident region where light enters from the light source 101 and a light exit surface.
  • a reflective portion (reflective layer) 710 is additionally provided on the outer wall surface (that is, the side surfaces of the optical devices 100, 200, 300, 400, 500, and 600).
  • a dielectric layer (second dielectric layer) may be inserted between the entrance 709, the outer wall surface excluding the light exit surface, and the reflecting portion 710.
  • the reflection unit 710 can suppress light from being emitted from the side surface of the optical device 700, the light use efficiency can be increased as compared with the optical devices of the above-described embodiments.
  • the reflection part 710 was provided in all the side surfaces except the entrance 709, you may be provided only in the one part surface among the side surfaces.
  • the reflection part 710 may be a diffuse reflector that diffusely reflects light, or may have a saw shape.
  • Such a reflection part 710 is made of a material that reflects visible light, and for example, Ag or Al can be used, but is not limited thereto.
  • the dielectric layer is made of a material that transmits visible light.
  • a material that transmits visible light For example, air, an optical gel, and an optical adhesive can be used, but not limited thereto.
  • the reflecting portion is provided on the outer wall surface or the like, light leaking through the outer wall surface can be suppressed. Therefore, the light use efficiency is improved.
  • each light source is described as an example, but a plurality of light sources may be used. At that time, each light source may emit light having a different wavelength. More specifically, the wavelengths of the plurality of light sources may be different to such an extent that surface plasmons are excited on the metal surface.
  • an eighth embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in each embodiment mentioned above, description is abbreviate
  • the present embodiment relates to a projector (display device) including the optical device described so far.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of the projector 3A of the present embodiment.
  • the projector 3A includes optical devices 800R, 800G, and 800B, liquid crystal panels (spatial light modulation elements) 811R, 811G, and 811B, a cross dichroic prism 812, and a projection optical system 813.
  • optical devices 800R, 800G, and 800B liquid crystal panels (spatial light modulation elements) 811R, 811G, and 811B, a cross dichroic prism 812, and a projection optical system 813.
  • Optical devices 800R, 800G, and 800B are the optical devices in the above-described embodiments.
  • the optical devices 800R, 800G, and 800B generate light having different wavelengths.
  • red light is emitted from the optical device 800R
  • green light is emitted from the optical device 800G
  • blue light is emitted from the optical device 800B.
  • Optical devices 800R, 800G, and 800B change each color light to a predetermined polarization state and guide it to the liquid crystal panels 811R, 811G, and 811B.
  • the liquid crystal panels 811R, 811G, and 811B spatially emit light of each color carrying the image by carrying the image on each color light by two-dimensionally modulating the incident color light according to the video signal. It is a modulation element.
  • the cross dichroic prism 812 combines and outputs the modulated lights emitted from the liquid crystal panels 811R, 811G, and 811B.
  • the projection optical system 813 projects the combined light emitted from the cross dichroic prism 812 onto the screen 814, and displays an image corresponding to the video signal on the screen 814.
  • the display device in the eighth embodiment uses a plurality of optical devices.
  • the display device of the present embodiment includes one optical device.
  • FIG. 16 is a schematic diagram of the projector 3B of the present embodiment.
  • the projector 3B includes an optical device 900, a liquid crystal panel 911, and a projection optical system 913.
  • the optical device 900 has the same configuration as the optical devices 800R, 800G, and 800B described in the eighth embodiment, but includes three light sources.
  • the liquid crystal panel 911 modulates the incident combined light according to the video signal and emits it.
  • the projection optical system 913 projects the modulated light emitted from the liquid crystal panel 911 onto the screen 814 and displays an image corresponding to the video signal on the screen 814.
  • the liquid crystal panel is used as the light modulation element.
  • the light modulation element is not limited to the liquid crystal panel and can be appropriately changed.
  • DMD Digital MICROMIROR Device
  • the liquid crystal panels 811R, 811G, 811B or the liquid crystal panel 911 may be used instead of the liquid crystal panels 811R, 811G, 811B or the liquid crystal panel 911.
  • the surface of the display device may be configured to be substantially perpendicular to the polarization component in a specific direction such as the + X direction. Good. Thereby, since it can condense efficiently to a projection optical system, without using optical systems, such as a mirror and a lens, an optical system can be omitted.
  • the above modification only shows the applicability of the present invention, and does not limit the present invention.
  • a part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
  • Appendix 1 A light guide layer having a periodic structure on a first surface; A metal layer provided on the first surface, The light guide layer includes at least one incident surface on which light enters the light guide layer; An optical apparatus comprising: at least one emission surface that emits light inside the light guide layer to the outside of the light guide layer except for the incident surface and the first surface.
  • the light guide layer guides the light by multiple reflection between the first surface and the emission surface, and emits the light generated on the first surface from the emission surface.
  • (Appendix 7) The optical apparatus according to any one of appendices 1 to 5, wherein a period of the periodic structure is 400 nm or more and 800 nm or less.
  • (Appendix 8) The optical device according to any one of appendices 1 to 7, wherein the periodic structure is rectangular.
  • (Appendix 9) The optical device according to any one of appendices 1 to 7, wherein the periodic structure has a step shape.
  • (Appendix 10) The optical device according to any one of appendices 1 to 7, wherein the periodic structure is sinusoidal.
  • (Appendix 11) The optical apparatus according to any one of appendices 1 to 10, wherein a phase modulation layer is provided between the first surface and the exit surface.
  • Appendix 12 The optical device according to any one of appendices 1 to 11, wherein an angle conversion layer is provided on the exit surface.
  • Appendix 13 The optical apparatus according to appendix 12, wherein the angle conversion layer has a sawtooth shape.
  • Appendix 14 14. The optical device according to any one of appendices 1 to 13, wherein the light guide layer includes a reflective layer on a surface excluding the incident surface and the emission surface via a second dielectric layer.
  • Appendix 15 The optical apparatus according to any one of appendices 1 to 14, wherein a plurality of the light sources are provided, and the wavelengths of the plurality of light sources are the same or different from each other.
  • a display device comprising: a spatial light modulator that converts light emitted from the optical device into a predetermined polarization state.
  • the spatial light modulation element is a digital micromirror device.
  • 3A, 3B Projector 100 to 700 Optical device 101
  • Light source 102
  • Light guide layer 103
  • Metal layer 204 Dielectric layer 305
  • Phase modulation layer 306
  • Phase modulation layer 407
  • Angle conversion layer 608
  • Polarizer layer 709 Entrance 710

Landscapes

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Abstract

［課題］　エテンデューの高いランダム偏光を、特定方向の偏光成分のみからなるエテンデューの低い光に変換する光学装置を提供する。 ［解決手段］　第１の面に周期構造を有する導光層と、前記第１の面上に設けられた金属層と、を備え、前記導光層は、光を該導光層の内部に入射する少なくとも１つの入射面と、前記入射面と前記第１の面とを除き、該導光層の内部の光を該導光層の外部に出射する少なくとも１つの出射面と、を含む。

Description

光学装置およびそれを用いた表示装置
　本発明は、光学装置およびそれを用いた表示装置に関する。
　近年、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）を光源としたＬＥＤプロジェクタが注目されている。ＬＥＤプロジェクタは、ＬＥＤと、ＬＥＤの出射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。
　このようなＬＥＤプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、光源の出射光を効率良く投射光として利用することが求められている。光源の出射光が効率よく投射光として利用されるためには、光源の発光面積と放射角との積で求められるエテンデューを、変調素子の受光面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角の積の値以下にする必要がある。
　また、ＬＥＤプロジェクタでは、液晶パネルなどの偏光依存性を有する変調素子が使用されることがある。この場合、ＬＥＤの出射光はランダム偏光なので、光源の出射光を効率良く投射光として利用するためには、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換する必要がある。
　ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する技術として、特許文献１が例示できる。例えば特許文献１に開示されている平面光学装置は、図１７に示すように、導光体１０と、導光体１０の下面に設けられた偏光方向変更部材１３と、階段状のマイクロプリズム１４と、反射板６と、導光体１０の上面に設けられた偏光分離膜１１と、偏光分離膜１１の上面に設けられた上面カバー１２によって構成される導光板３を備える。また、偏光分離膜１１は、第１の低屈折率透明媒質と第２の低屈折率透明媒質とで金属薄膜を挟んだ構成を有する。
　上記の平面光学装置では、ＬＥＤ２の出射光は、導光体１０に入射され、マイクロプリズム１４にて角度変換されながら導光体１０の内部を伝播する。導光体１０と第１の低屈折率透明媒質との境界である第１の境界において、入射光が全反射すると、そのときに生じるエバネッセント波によって、金属薄膜に表面プラズモンが励起される。
　金属薄膜に表面プラズモンが励起されると、第２の低屈折率透明媒質と上面カバー１２との境界である第２の境界において、表面プラズモンの励起過程と逆の遷移過程が生じ、その第２の境界で光が発生する。第２の境界で発生した光は、上面カバー１２を介して出射される。
　また、上記の平面光学装置では、第１の境界に入射される光のうち、表面プラズモンを励起する光は、電界成分が第１の境界に平行なＰ偏光のみである。第２の境界で発生する光は、表面プラズモンの励起過程と逆の過程によって生じるので、表面プラズモンを励起する光と同じＰ偏光となる。したがって、上記の平面光学装置は、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換して出射できる。
特開２００３－２９５１８３号公報
　しかしながら、上述した関連技術に係る平面光学装置では、導光体１０内を進行する光は、特定の方向だけではなく、様々な方向に伝播され、第１の境界面内に様々な方向から入射する。その結果、金属薄膜表面の面内において様々な方向に伝播する表面プラズモンが生じ、第２の境界で発生する光も様々な方向に出射される。このため、出射方向を特定の方向に既定されたエテンデューの低い状態である特定の偏光状態の光を得ることが難しい問題があった。
　そこで、本発明の主目的は、エテンデューが高いランダム偏光を、エテンデューが低い特定の偏光状態の光に変換することが可能となる光学装置および表示装置を提供することである。
　上記課題を解決するため光学装置は、第１の面に周期構造を有する導光層と、第１の面上に設けられた金属層と、を備え、導光層は、光を該導光層の内部に入射する少なくとも１つの入射面と、入射面と第１の面とを除き、該導光層の内部の光を該導光層の外部に出射する少なくとも１つの出射面と、を含むことを特徴とする。
　本発明によれば、エテンデューが高いランダム偏光を、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態である特定の偏光状態の光に変換することが可能となる。
本発明の第１の実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態の光学装置の動作を説明する説明図である。 第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。 第１の実施例の光学装置の動作の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。 第２の実施形態の光学装置の動作を説明するための説明図である。 第２の実施例の光学装置の動作の一例を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態の光学装置の斜視図である。 第３の実施形態の光学装置の動作を説明するための説明図である。 本発明の第４の実施形態の光学装置の斜視図である。 第４の実施形態の光学装置の動作を説明するための説明図である。 本発明の第５の実施形態の光学装置の斜視図である。 本発明の第６の実施形態の光学装置の斜視図である。 本発明の第７の実施形態の光学装置の斜視図である。 本発明の第８の実施形態の表示装置の上面図である。 本発明の第９の実施形態の表示装置の上面図である。 特許文献１の平面光学装置の動作を説明する説明図である。
［第１の実施形態］
　本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の光学装置１００を模式的に示す斜視図である。なお、実際の光学装置では、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。
　光学装置１００は、光源１０１と、導光層１０２と、金属層１０３とを有する。
　光源１０１は、導光層１０２の外周部に配置され、導光層１０２にランダム偏光を出射する。光源１０１は、導光層１０２から離れた位置に配置されてもよいし、導光層１０２と接触するように配置されてもよいし、ライトパイプのような導光部材を介して光学的に導光層１０２と接続されてもよい。
　導光層１０２の上面（第１の面）には１次元の周期構造が設けられており、後述する導光層１０２内の、周期構造に対して特定の入射角で、かつ周期構造の周期方向と平行な方向に主成分を有するＰ偏光の光を、表面プラズモンを介して回折し、導光層１０２の下面（出射面）から外部に出射させる。
　導光層１０２は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、後述するように、導光層１０２は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
　金属層１０３は、少なくとも可視光を透過しない材料からなり、金属層単層では、光を反射する。また、後述するように、金属層１０３は、可視光によって、表面に表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。
　導光層１０２は、光源１０１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。導光層１０２の上面には１次元の周期構造として、Ｘ方向に周期を有し、Ｙ方向に延伸し、Ｚ方向に凹凸を有する構造が形成されている。導光層１０２は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂である。また、導光層１０２の上面の周期構造は、周期２２０ｎｍ程度以上４００ｎｍ程度以下、凹凸の深さ１２０ｎｍ程度以下である。
　なお、導光層１０２の屈折率は、１．４６程度以上１．５０程度以下に限定されない。より詳細には、後述する金属層１０３からの反射回折光の回折角が、導光層１０２の下面と導光層１０２の外部との界面における臨界角より小さければよく、かつ後述するＰ偏光成分の強度がＳ偏光成分の強度よりも高ければよい。
　導光層１０２の厚みは、目安として０．５ｍｍ程度であれば問題なく機能する。ただし、導光層１０２の厚みには、特に限定は加えない。
　なお、導光層１０２の上面の周期構造の周期は、２５０ｎｍ程度以上４００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、後述する金属層１０３からの反射回折光の回折角が、導光層１０２の下面と導光層１０２の外部との界面における臨界角より小さければよく、かつ後述するＰ偏光成分の強度がＳ偏光成分の強度よりも高ければよい。
　導光層１０２の形状は、本実施形態では平板状としているが、実際には平板状に限定されるものではなく、楔形状や鋸波形状などでもよい。
　金属層１０３は、可視光によって表面に表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。例としては、Ａｇ（銀）である。金属層１０３の厚みは、５００ｎｍ程度以上２μｍ程度以下である。
　なお、金属層１０３は、Ａｇに限定されず、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）でもよい。より詳細には、後述する導光層１０２と金属層１０３との界面において表面プラズモンを励起すればよい。また、金属層１０３の厚みは５００ｎｍ程度以上２μｍ程度以下に限定されない。より詳細には、後述する導光層１０２と金属層１０３との界面で発生する表面プラズモンのエネルギーが、金属層１０３の上面に染み出さない程度に厚ければよく、また、後述するＰ偏光の光およびＳ偏光の光を反射する程度に厚ければよい。
　光学装置１００は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術を用いて１次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。ただし、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法に限定されない。
　なお、導光層１０２と金属層１０３との界面に、接合性を高めるためにＴｉなどの接合層を５ｎｍ程度以下の厚さで設けても良い。
　図２は、光学装置１００の動作を詳細に説明するための図である。図２は、光学装置１００のＹ軸に直交する断面図である。導光層１０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光、すなわち電場の振動方向がＺＸ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光、すなわち電場の振動方向がＺＸ面に直交する光を示す。
　次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。表面プラズモンは、金属と誘電体の界面を伝播する電子の集団の疎密波である。ここで、真空中における光の角周波数をω、光速をｃとすると真空中における光の波数は、ｋ０＝ω／ｃで表される。表面プラズモンの波数ｋＳＰは、真空中における光の波数ｋ０、金属の誘電率εｍおよび誘電体の誘電率εｄから
ｋＳＰ＝ｋ０（（εｄ・εｍ）／（εｄ＋εｍ））１／２　…　（１）
で決定される。
　表面プラズモンの角周波数と波数の関係である分散関係が、誘電体中を伝播する光の分散関係と一致する場合、すなわち、誘電体中に存在する特定の波長の光の波数が表面プラズモンの波数と等しくなる場合、その光によって表面プラズモンが励起される。　
　しかしながら、平坦な金属と平坦な誘電体との界面のみの場合、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係は一致しない。そのため、光を誘電体から金属に入射しても表面プラズモンは励起されない。したがって、表面プラズモンを励起させるためには、誘電体中の光の分散関係を変化させて、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とを一致させる必要がある。
　光の分散関係を変化させて表面プラズモンを励起させる方法としては、金属と誘電体との界面に回折格子（グレーティング）を設けるグレーティング結合法が知られている。
　グレーティング結合法では、回折格子の周期方向に平行な面内において、回折格子に入射角θｉｎｃで光が入射すると、その回折格子にて回折された光の、回折格子の周期方向に平行な波数成分ｋΛは、誘電体の屈折率ｎ、整数ｍ１、格子ピッチΛ、格子ベクトルＫ＝２π／Λを用いて式２で表される。
ｋΛ＝ｎｋ０ｓｉｎθｉｎｃ＋ｍ１Ｋ　…（２）
　ここで、回折格子に対して特定の入射角において、ｋＳＰ＝ｋΛとなる場合、つまり表面プラズモンの分散関係と誘電体中の回折光の分散関係とが一致する場合においては、光から誘電体と金属との界面に波数ｋΛを有する表面プラズモンが回折格子の周期方向に平行な方向に励起される。表面プラズモンが疎密波であることに起因して、ある特定の方向に伝搬する表面プラズモンを励起する入射光は、電界成分がその特定の方向に平行な直線偏光の光のみである。
　したがって、図２に示したように、導光層１０２と金属層１０３との界面を、Ｘ方向に周期を有する１次元周期構造とすることで、導光層１０２と金属層１０３との界面に表面プラズモンｋｘ＝ｋΛを励起できる光を、Ｘ方向に電界成分を有し、かつ導光層１０２と金属層１０３との界面の周期構造に対して特定の入射角度を有するＰ偏光に制限することが可能になる。
　導光層１０２と金属層１０３との界面の周期構造に対して、ｋｘ＝ｋＳＰを満足する入射角θ１で光が入射され、導光層１０２と金属層１０３との界面において表面プラズモンがＸ方向に励起されると、その表面プラズモンのエネルギーの一部は金属層１０３における熱損失となり、一部は誘電体中の光と結合して回折される。
　導光層１０２と金属層１０３との界面から回折される光の波数成分ｋｘ，ｄは、整数ｍ２を用いて、
ｋｘ，ｄ＝ｋＳＰ＋ｍ２Ｋ　…　（３）
と表される。導光層１０２と金属層１０３との界面から回折される光の波数ｋｘ，ｄは導光層１０２と金属層１０３との界面に励起された表面プラズモンの波数成分と平行である。
　したがって、回折光は、導光層１０２と金属層１０３との界面に入射した光と同様に、Ｘ方向に電界成分を有し、かつ、導光層１０２と金属層１０３との界面の周期構造に対して特定の回折角θ２であるＰ偏光となる。
　導光層１０２と金属層１０３との界面において回折角θ２で回折したＰ偏光は、導光層１０２を伝播し、導光層１０２の下面に入射角θ３で入射する。本実施形態においては、導光層１０２は平板状でありθ３＝θ２である。ここで、屈折率ｎＡの媒質Ａから、媒質Ａと屈折率ｎＢの媒質Ｂとの界面へ光が入射する際における臨界角は、
θｃ＝ｓｉｎ－１（ｎＢ／ｎＡ）　…　（４）
で表される。導光層１０２の屈折率をｎ１、導光層１０２の外部の屈折率をｎ０とし、θ３＜θｃを満足して導光層１０２の下面に入射した光は、導光層１０２の外部に出射する。
　また、導光層１０２と金属層１０３との界面に表面プラズモンを励起しないＰ偏光と、Ｓ偏光の光は、金属層１０３によって回折または鏡面反射され、導光層１０２内において、導光層１０２の上面と導光層１０２の下面との間で全反射しながら導光し、導光層１０２の下面から導光層１０２の外部へ出射しない。導光層１０２内のＹＺ面内に存在する光は、金属層１０３によって回折または鏡面反射され、導光層１０２の上面と導光層１０２の下面との間で全反射しながら導光し、導光層１０２の下面から導光層１０２の外部へ出射しない。
　以上のことから、導光層１０２内に存在する光のうち、導光層１０２と金属層１０３との界面に対して特定の入射角θ１の光Ａだけが表面プラズモンを介して回折され導光層１０２から取出される。
　すなわち、導光層１０２と金属層１０３との界面にＸ方向に周期を有する１次元の周期構造が存在することにより、Ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるＺＸ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
　なお、ＺＸ方向以外に伝搬する光が導光層１０２と金属層１０３との界面に様々な角度で入射した場合でも、その光をＺＸ平面に射影した射影光の入射角度が、表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、特定の偏光成分を有する光を得ることができる。その場合、まず、光Ａと同様に、Ｘ方向に平行な偏光成分によって、Ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンが導光層１０２と金属層１０３との界面に励起される。さらに、表面プラズモンの一部が導光層１０２と金属層１０３との界面で回折され、Ｘ方向に特定の偏光成分を有する光として、導光層１０２から取出される。
　このように、本実施形態では、導光層１０２と金属層１０３との界面に周期構造を設けることで、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。
　なお、図３は、本実施形態において、導光層１０２と金属層１０３との界面における周期構造のＺＸ平面における断面の例を示す。導光層１０２と金属層１０３との界面における周期構造には、（ａ）矩形状、（ｂ）階段状、（ｃ）正弦波状の形状を用いることができる。また、（ａ）矩形状、（ｂ）階段状、（ｃ）正弦波状の任意の複数の形状が、前記周期構造内に混在してもよい。
［第１の実施例］
　以上の動作による効果を、シミュレーションによって確認した。図４は、光学装置１００の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。なお、本シミュレーションは、第１の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
　図４の横軸は、光学装置１００のＺＸ面内における導光層１０２と金属層１０３の界面からの回折角θ２を示し、縦軸は最大値５０％で規格化した回折効率Ｄ．Ｅ．（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示している。また（ａ）は導光層１０２と金属層１０３との界面への入射光をＳ偏光とした場合、（ｂ）は導光層１０２と金属層１０３との界面への入射光をＰ偏光とした場合を示している。
　また、回折角θ２は、導光層１０２の下面と後述する導光層１０２の外部との界面における臨界角θｃ以内の範囲を示している。なお、シミュレーションには、２次元の厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ法：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｗａｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ法）を用いた。
　第１の実施例のシミュレーションにおいて、導光層１０２は、屈折率が１．４６のＰＥＴとした。金属層１０３は、Ａｇで厚みを２μｍとした。導光層１０２と金属層１０３との界面の周期構造は、形状を図３（ａ）に示す矩形状とし、深さを６０ｎｍとし、ピッチを３００ｎｍとした。導光層１０２の外部を屈折率１の空気とした。
　図４（ａ）及び（ｂ）から、Ｐ偏光成分の導光層１０２内における回折効率の半値全幅は約２０．０ｄｅｇであり、導光層１０２の下面と導光層１０２の外部との界面を透過後の空気中の半値全幅は約３３．０ｄｅｇである。したがって、ＬＥＤの様なランバーシアン分布を有する出射光の空気中の半値全幅（４５．０ｄｅｇ）に比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。
　また、Ｐ偏光成分の回折効率のピーク値と、Ｓ偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、Ｐ偏光成分の方が４倍以上大きいため、偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
［第２の実施形態］
　次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
　図５は、本発明の第２の実施形態の光学装置２００を模式的に示す斜視図である。図５に示す光学装置２００は、第１の実施形態の光学装置１００と比べると、導光層１０２と金属層１０３との間に誘電体層（第１の誘電体層）２０４を備えている点が相違する。
　誘電体層２０４は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、誘電体層２０４は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。誘電体層２０４の下面は、導光層１０２と接しており、周期構造を有する。誘電体層２０４の上面は平坦である。なお、誘電体層２０４の上面は平坦でなく、ランダムな凹凸構造や、周期構造を有しても良い。
　なお、誘電体層２０４は、Ｚ方向の厚みが０の部分があっても良い。すなわち、導光層１０２の上面の凸部で、導光層１０２と金属層１０３が接してもよい。
　誘電体層２０４は、導光層１０２とは異なる屈折率を有する。誘電体層２０４は、例えば屈折率１の空気である。なお、誘電体層２０４は、屈折率１に限定されない。
　また、光学装置２００は、例えば、以下のような手順で製造することができる。石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で１次元凹凸構造を形成し、基板Ａとする。他方で、Ｓｉ基板等の表面にスパッタ等の蒸着法でＡｇを形成し、基板Ｂとする。
　基板Ａと基板Ｂを、オプティカルボンディング等の接合法で石英ガラスの１次元凹凸構造とＳｉ基板のＡｇ層において接合する。ただし、第１の実施形態の光学装置２００の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　図６は、光学装置２００のＹ軸に直交する断面図である。導光層１０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がＺＸ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がＺＸ面に直交する光を示す。
　次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。導光層１０２と誘電体層２０４との界面の周期構造に対して、入射角θ１で光が入射されると、ｋｘ＝ｋＳＰを満足する回折光が誘電体層２０４に生じる。
　誘電体層２０４内に発生した回折光によって、誘電体層２０４と金属層１０３との界面において表面プラズモンがＸ方向に励起されると、その表面プラズモンのエネルギーの一部は金属層１０３における熱損失となり、一部は、導光層１０２と誘電体層２０４との界面における周期構造によって、回折される。
　導光層１０２と誘電体層２０４との界面から回折される光の波数ｋｘ，ｄは誘電体層２０４と金属層１０３との界面に励起された表面プラズモンの波数成分と平行である。
　したがって、回折光は、導光層１０２と誘電体層２０４との界面に入射した光と同様に、Ｘ方向に電界成分を有し、かつ導光層１０２と誘電体層２０４との界面の周期構造に対して特定の回折角θ２であるＰ偏光となる。
　また、誘電体層２０４と金属層１０３との界面に表面プラズモンを励起しないＰ偏光と、Ｓ偏光の光は、金属層１０３によって鏡面反射され、導光層１０２内において、導光層１０２の上面と導光層１０２の下面との間で全反射しながら導光し、導光層１０２の下面から導光層１０２の外部へ出射しない。
　以上のことから、導光層１０２内に存在する光のうち、導光層１０２と誘電体層２０４との界面に対して特定の入射角θ１の光Ａだけが表面プラズモンを介して回折され導光層１０２から取出される。
　すなわち、導光層１０２と誘電体層２０４との界面にＸ方向に周期を有する１次元の周期構造が存在することにより、Ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるＺＸ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
　なお、ＺＸ方向以外に伝搬する光が導光層１０２と誘電体層２０４との界面に様々な角度で入射した場合でも、その光をＺＸ平面に射影した射影光の入射角度が、表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、特定の偏光成分を有する光を得ることができる。その場合、まず、光Ａと同様に、Ｘ方向に平行な偏光成分によって、Ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンが誘電体層２０４と金属層１０３との界面に励起される。さらに、表面プラズモンの一部が導光層１０２と誘電体層２０４との界面で回折され、Ｘ方向に特定の偏光成分を有する光として、導光層１０２から取出される。
　このように、本実施形態では、導光層１０２と金属層１０３との間に誘電体層２０４を設けることで、例えば第１の実施形態のように導光層１０２の上に金属層１０３を直接設けることが困難な場合においても、誘電体層２０４を介して、導光層１０２の上面と誘電体層２０４との界面における周期構造と、誘電体層２０４と金属層１０３との界面においてグレーティング結合法を適用することで高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。
［第２の実施例］
　以上の動作による効果を、シミュレーションによって確認した。図７は、光学装置２００の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。なお、本シミュレーションは、第２の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
　図７の横軸は、光学装置２００のＺＸ面内における導光層１０２と誘電体層２０４との界面からの回折角θ２を示し、縦軸は最大値５０％で規格化した回折効率Ｄ．Ｅ．（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示している。また、（ａ）は導光層１０２と誘電体層２０４の界面への入射光をＳ偏光とした場合、（ｂ）は導光層１０２と誘電体層２０４との界面への入射光をＰ偏光とした場合を示している。
　また、回折角θ２は、導光層１０２の下面と後述する導光層１０２の外部との界面における臨界角θｃ以内の範囲を示している。なお、シミュレーションには、２次元の厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ法：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｗａｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ法）を用いた。
　第２の実施例のシミュレーションにおいて、導光層１０２は、屈折率が１．４６のＰＥＴとした。金属層１０３は、Ａｇで厚みを２μｍとした。誘電体層２０４は、空気で、厚みを６０ｎｍとした。導光層１０２と誘電体層２０４との界面の周期構造の形状は、図３（ａ）に示す矩形状とし、深さを６０ｎｍとし、ピッチを３００ｎｍとした。すなわち、導光層１０２の上面において、凸部は金属層１０３と接しており、金属層１０３の下面は平坦である。導光層１０２の外部を屈折率１の空気とした。
　図７（ａ）及び（ｂ）から、導光層１０２内に回折されたＰ偏光は、回折次数に応じてそれぞれ－２３ｄｅｇ付近と、＋２１ｄｅｇ付近に得られていることが判る。Ｐ偏光成分の導光層１０２内における回折効率の半値全幅は、－２３．０ｄｅｇ付近に得られる回折光Ｄ１では約３．０ｄｅｇであり、＋２１．０ｄｅｇ付近に得られる回折光Ｄ２では約８．０ｄｅｇである。また、導光層１０２の下面と導光層１０２の外部との界面を透過後の空気中の半値全幅は、回折光Ｄ１では約５．０ｄｅｇであり、回折光Ｄ２では約１３．０ｄｅｇである。したがって、ＬＥＤの様なランバーシアン分布を有する出射光の空気中の半値全幅（４５．０ｄｅｇ）に比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。
　また、Ｐ偏光成分の回折効率のピーク値と、Ｓ偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、Ｐ偏光成分の方が、回折光Ｄ１では約１．７倍、回折光Ｄ２では約３．３倍大きいため、偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
　なお、後述する表示装置に用いる場合には、回折光Ｄ１または回折光Ｄ２のどちらを利用しても良い。
　また、図示しない角度変換層などを用いて回折光Ｄ１または回折光Ｄ２を回折させて、回折光Ｄ１と回折光Ｄ２の伝播方向を平行にすることで、回折光Ｄ１と回折光Ｄ２の両方を利用しても良い。
［第３の実施形態］
　次に、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図８は、本発明の第３の実施形態の光学装置３００を模式的に示す斜視図である。
　図８に示す光学装置３００は、第１の実施形態の光学装置１００と比べると、導光層１０２の下面に位相変調層３０５が設けられ、導光層１０２の下面の外部に位相変調層３０６が設けられている点が相違する。なお、位相変調層３０５を、導光層１０２の下面ではなく導光層１０２の内部に備えても良い。また、導光層１０２と金属層１０３との間に、第２の実施形態で示した誘電体層を設けても良い。
　位相変調層３０５、３０６は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。そして、位相変調層３０５、３０６は、光学軸がＸＹ面内に存在し、透過する光の位相変調層の光学軸に平行な方向の成分と垂直な方向の成分に位相差を与える。このような、位相変調層３０５、３０６の例としては、λ／４板が利用できる。
　光学装置３００は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で１次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。また、石英ガラスの下面にλ／４板層をオプティカルボンディングで設け、石英ガラス下面の外部にλ／４板を配置する。
　ただし、光学装置３００の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　図９は、光学装置１００のＹ軸に直交する断面図である。導光層１０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がＺＸ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がＺＸ面に直交する光を示す。
　　導光層１０２と金属層１０３との界面において回折角θ２で回折したＰ偏光は、導光層１０２を伝播し、位相変調層３０５に入射角θ３で入射する。本実施形態においては、導光層１０２は平板状でありθ３＝θ２である。
　ここで、スネルの法則から、導光層１０２内に存在する光に関して、位相変調層３０５の下面と位相変調層３０５の外部との界面における臨界角は、位相変調層３０５を除いて、導光層１０２と位相変調層３０５の外部との界面における臨界角と同一と考えることができる。
　すなわち、式４から求まるθｃを用いて、θ３＜θｃを満足し、導光層１０２から位相変調層３０５に入射した光は位相変調層３０５を透過して位相変調層３０５の外部に出射する。位相変調層３０５を透過したＰ偏光は、位相変調層３０５によって位相変調され、直線偏光から円偏光へ変換される。
　円偏光へ変換された光は、位相変調層３０６へ入射し、位相変調層３０６を透過する。位相変調層３０６を透過した円偏光は、位相変調層３０６によって、位相変調され、直線偏光へ変換される。
　また、導光層１０２の外部へ出射せず、導光層１０２および位相変調層３０５内において多重反射する光は、位相変調層３０５を透過して直線偏光から円偏光へ変換される。円偏光へ変換された光は、位相変調層３０５と位相変調層３０５の外部との界面で全反射し、再度位相変調層３０５へ入射する。位相変調層３０５を再度透過する際に、往路と直交する方向の直線偏光となり、導光層１０２へ入射する。
　以上のことから、位相変調層３０５は、位相変調層３０５の外部へ出射しない光の偏光状態を変換して導光層１０２へ戻して再利用することで、第１の実施形態の光学装置１００に比べて光利用効率を上げることができる。
［第４の実施形態］
　次に、本発明の第４の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図１０は、本発明の第４の実施形態の光学装置４００を模式的に示す斜視図である。
　図１０に示す光学装置４００は、第１の実施形態の光学装置１００と比べると、導光層１０２の下面に角度変換層４０７を備えている。なお、導光層１０２と金属層１０３との間に、第２の実施形態で示した誘電体層を有しても良い。
　本発明の角度変換層４０７は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、角度変換層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。そして、角度変換層４０７は、入射した光の伝播角度を少なくともＸ方向成分に関して変換する。
　角度変換層４０７の例としては、Ｘ方向に周期性を有し、Ｙ方向に延伸する複数のプリズムが挙げられる。また、角度変換層４０７の他の例は、Ｙ方向に延伸する一つのプリズムが挙げられる。角度変換層４０７の屈折率は、導光層１０２の屈折率と等しいが、特に制限しない。
　また、光学装置４００は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で１次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。また、石英ガラスの下面にプリズムをオプティカルボンディングで設ける。
　ただし、光学装置４００の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　図１１は、光学装置４００のＹ軸に直交する断面図である。導光層１０２と金属層１０３との界面において回折角θ２で回折したＰ偏光は、導光層１０２を伝播し、角度変換層４０７へ入射角θ３で入射する。
　角度変換層４０７へ入射した光は、角度変換層４０７の下面へ入射角θ３で入射する。ここで、角度変換層４０７の下面と導光層１０２の下面とがなす角をαとして、θ３（＝θ２＋α）＜θｃである場合、角度変換層４０７へ入射した光は角度変換層４０７の外部に出射する。
　また、角度変換層４０７の外部へ出射せず、導光層１０２および角度変換層４０７内において多重反射する光は、角度変換層４０７を反射する際に角度が変換される。
　以上のことから、角度変換層４０７は、導光層１０２と金属層１０３との界面においてプラズモン励起条件を満足しない角度変換層４０７の外部へ出射しない光の角度を変換して導光層１０２へ戻して再利用することで、第１の実施形態の光学装置１００に比べて光利用効率を上げることができる。
［第５の実施形態］
　次に、本発明の第５の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図１２は、本発明の第５の実施形態の光学装置５００を模式的に示す斜視図である。
　光学装置５００は、第３の実施形態の光学装置３００と比べると、第４の実施形態で説明した角度変換層４０７が追設されている点が相違する。なお、導光層１０２と金属層１０３との間に、第２の実施形態で示した誘電体層を設けても良い。
　この光学装置５００は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で１次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。
　また、石英ガラスの下面にλ／４板およびプリズムをオプティカルボンディングで設け、石英ガラス下面の外部にλ／４板を配置する。
　ただし、光学装置５００の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　このような構成により、位相変調層３０５および角度変換層４０７により、角度変換層４０７の外部へ出射しない光の偏光状態および角度を変換して導光層１０２へ戻して再利用することができるようになり、第３の実施形態の光学装置３００に比べて光利用効率を上げることができる。
［第６の実施形態］
　次に、本発明の第６の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図１３は、本発明の第６の実施形態の光学装置６００を模式的に示す斜視図である。
　光学装置６００は、第５の実施形態の光学装置５００と比べると、偏光子層６０８が追設されている点が相違する。この偏光子層６０８は、位相変調層３０６の下面側に配置されて、その光学軸がＸＹ面内に存在する。そして、Ｘ方向に主成分を有する偏光を透過させ、Ｙ方向に主成分を有する偏光を反射あるいは吸収して遮断する。
　偏光子層６０８としては、ワイヤグリッド、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）やＴＡＣ（トリアセチルセルロース）の多層構造、フォトニック結晶等を用いることができる。ただし、偏光子層６０８の例は、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）やＴＡＣ（トリアセチルセルロース）の多層構造、ワイヤグリッド、フォトニック結晶に限定されない。
　また、光学装置５００は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で１次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。また、石英ガラスの下面にλ／４板およびプリズムをオプティカルボンディングで設け、石英ガラス下面の外部にλ／４板をオプティカルボンディングで張り合わせたワイヤグリッドを配置する。
　ただし、第５の実施形態の光学装置５００の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　このような構成により、偏光子層６０８は、導光層１０２の上面と金属層１０３との界面で回折したＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を遮断するので、第５の実施形態の光学装置５００に比べて偏光選択性を上げることができる。
　また、偏光子層６０８がＳ偏光を反射する反射型の場合は、反射したＳ偏光を導光層１０２へ戻して再利用することで、第５の実施形態の光学装置６００に比べて光利用効率を上げることができる。
［第７の実施形態］
　次に、本発明の第７の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図１４は、本発明の第７の実施形態の光学装置７００を模式的に示す斜視図である。
　光学装置７００は、第１の実施形態～第６の実施形態の光学装置１００～６００に対して、光源１０１から光が入射される入射領域である入射口７０９と、光の出射面を除いた外壁面（つまり、光学装置１００、２００、３００、４００、５００、６００の側面）とに反射部（反射層）７１０を追設した点が相違する。なお、入射口７０９と、光の出射面を除いた外壁面と、反射部７１０との間に誘電体層（第２の誘電体層）を挿入しても良い。
　この反射部７１０は、光学装置７００の側面から光が出射されることを抑制することができるので、上述した各実施形態の光学装置と比べて光利用効率を上げることができる。
　なお、反射部７１０は、入射口７０９を除いた側面の全てに設けられていたが、その側面のうち一部の面にのみ設けられていてもよい。また、反射部７１０は、光を拡散反射する拡散反射体であってもよいし、鋸形状であってもよい。
　このような、反射部７１０は、可視光を反射する材料で構成され、例えばＡｇ、Ａｌを用いることができるが、これらに限定しない。
　誘電体層は、可視光を透過する材料で構成される。例えば、空気、光学ゲル、光学接着剤を用いることができるが、これらに限定しない。
　このように、反射部が外壁面などに設けられているため、外壁面を介して漏れる光を抑制することができる。従って、光利用効率が向上する。
　なお、上述した各実施形態においては、１つの光源を例示して説明したが、複数の光源を用いても良い。その際に、各光源がそれぞれ異なる波長の光を出射してもよい。より詳細には、複数の光源の波長が、金属表面において表面プラズモンを励起する程度に異なってもよい。
［第８の実施形態］
　次に、本発明の第８の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。本実施形態は、これまで説明した光学装置を備えるプロジェクタ（表示装置）に関する。
　図１５は、本実施形態のプロジェクタ３Ａの模式図である。プロジェクタ３Ａは、光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂと、液晶パネル（空間光変調素子）８１１Ｒ、８１１Ｇおよび８１１Ｂと、クロスダイクロイックプリズム８１２と、投射光学系８１３とを備える。
　光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂは、上述した各実施形態における光学装置である。そして、光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂは、それぞれ波長が異なる光を発生する。以下、光学装置８００Ｒから赤色光が出射され、光学装置８００Ｇから緑色光が出射され、光学装置８００Ｂから青色光が出射されるものとする。
　光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂは、各色光を所定の偏光状態に変更して液晶パネル８１１Ｒ、８１１Ｇおよび８１１Ｂに導く。
　液晶パネル８１１Ｒ、８１１Ｇおよび８１１Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて２次元的に変調することで、各色光に画像を担持させ、その画像を担持させた各色光を出射する空間光変調素子である。
　クロスダイクロイックプリズム８１２は、液晶パネル８１１Ｒ、８１１Ｇおよび８１１Ｂのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。
　投射光学系８１３は、クロスダイクロイックプリズム８１２から出射された合成光をスクリーン８１４へ投射して、スクリーン８１４上に映像信号に応じた画像を表示する。
　このようなプロジェクタにおいて、光源から出射されたランダム偏光は、特定の偏光状態に変換される際に、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態に変換される。従って、光利用効率が向上したプロジェクタが提供できる。
［第９の実施形態］
　次に、本発明の第９の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
　第８の実施形態における表示装置は、複数の光学装置が用いられていた。これに対して、本実施形態の表示装置は１つの光学装置を備えている。
　図１６は、本実施形態のプロジェクタ３Ｂの模式図である。プロジェクタ３Ｂは、光学装置９００と、液晶パネル９１１と、投射光学系９１３とを備える。
　なお、光学装置９００は、第８の実施形態で説明した光学装置８００Ｒ、８００Ｇ及び８００Ｂと同じ構成を有するが、３つの光源を備えている。
　液晶パネル９１１は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する。投射光学系９１３は、液晶パネル９１１から出射された変調光をスクリーン８１４へ投射して、スクリーン８１４上に映像信号に応じた映像を表示する。
　なお、第８の実施形態及び第９の実施形態では、光変調素子として液晶パネルを用いたが、光変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図１５および図１６で示したプロジェクタでは、液晶パネル８１１Ｒ、８１１Ｇ、８１１Ｂないし液晶パネル９１１の代わりに、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　ＭＩＣＲＯＭＩＲＲＯＲ　Ｄｅｖｉｃｅ）を用いてもよい。
　以上により、１つの光学装置で映像が表示できるため、構成が簡略化できて、安価になる。また、これらの効果により、プロジェクタをさらに小型化することが可能となる。
　また、第８の実施形態及び第９の実施形態の表示装置の変形例として、表示装置の面を、＋Ｘ方向などの特定の方向の偏光成分に対してほぼ垂直になるように構成してもよい。これにより、ミラーやレンズなどの光学系を用いなくても投射光学系に効率よく集光することができるため、光学系を省略できる。以上の変形例は、本発明の適用可能性を示すのみであり、本発明に限定を加えるものではない。
　上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
　第１の面に周期構造を有する導光層と、
　前記第１の面上に設けられた金属層と、を備え、
　前記導光層は、光を該導光層の内部に入射する少なくとも１つの入射面と、
　前記入射面と前記第１の面とを除き、該導光層の内部の光を該導光層の外部に出射する少なくとも１つの出射面と、を含むことを特徴とする光学装置。
（付記２）
　前記導光層は、前記第１の面と前記出射面との間で前記光を多重反射して導光し、前記第１の面において生成された光を前記出射面から出射することを特徴とする付記１に記載の光学装置。
（付記３）
　前記第１の面と前記金属層との間の少なくとも一部に第１の誘電体層を設けたことを特徴とする付記１乃至２に記載の光学装置。
（付記４）
　前記金属層の、前記第１の面および前記第１の誘電体層に接する面、または前記第１の誘電体層に接する面が平坦であることを特徴とする付記３に記載の光学装置。
（付記５）
　前記周期構造は、１次元の周期構造であることを特徴とする付記１乃至４に記載の光学装置。
（付記６）
　前記周期構造の周期は、２５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることを特徴とする付記１乃至５に記載の光学装置。
（付記７）
　前記周期構造の周期は、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることを特徴とする付記１乃至５に記載の光学装置。
（付記８）
　前記周期構造は、矩形状であることを特徴とする付記１乃至７に記載の光学装置。
（付記９）
　前記周期構造は、階段形状であることを特徴とする付記１乃至７に記載の光学装置。
（付記１０）
　前記周期構造は、正弦波状であることを特徴とする付記１乃至７に記載の光学装置。
（付記１１）
　前記第１の面と前記出射面との間に位相変調層を設けたことを特徴とする付記１乃至１０に記載の光学装置。
（付記１２）
　前記出射面に、角度変換層を設けたことを特徴とする付記１乃至１１に記載の光学装置。
（付記１３）
　前記角度変換層は、鋸波形状であることを特徴とする付記１２に記載の光学装置。
（付記１４）
　前記導光層は、前記入射面および前記出射面を除いた面に第２の誘電体層を介して反射層を備えることを特徴とする付記１乃至１３に記載の光学装置。
（付記１５）
　前記光源を複数備え、該複数の光源の波長が互いに同じか又は異なることを特徴とする付記１乃至１４に記載の光学装置。
（付記１６）
　前記導光層内を導光する前記光が前記周期構造体により表面プラズモンを励起し、該前記表面プラズモン波数ｋＳＰは、
　真空中の光の角周波数をω、光速をｃ、金属の誘電率εｍ、誘電体の誘電率εｄを用いて、
　ｋＳＰ＝（ω／ｃ）＊（εｄ・εｍ／（εｄ＋εｍ））１／２
　によりあたえられことを特徴とする付記１乃至１５のいずれか１つに記載の光学装置。
（付記１７）
　前記周期構造体が回折格子により形成され、かつ、該回折格子で回折された前記光の当該回折格子の周期方向に平行な波数成分ｋΛは、
　前記回折格子の周期方向に平行な面内で前記光の入射角をθｉｎｃ、誘電体の屈折率をｎ、格子ピッチをΛ、格子ベクトルをＫ＝２π／Λ、整数をｍ１とすると、
ｋΛ＝ｎｋ０ｓｉｎ（θｉｎｃ）＋ｍ１Ｋ
　で与えられることを特徴とする付記１乃至１６のいずれか１つに記載の光学装置。
（付記１８）
　付記１乃至１７のいずれか１項に記載の光学装置と、
　前記光学装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調素子と、を有することを特徴とする表示装置。
（付記１９）
　前記空間光変調素子は、液晶パネルであることを特徴とする付記１８に記載の表示装置。
（付記２０）
　前記空間光変調素子は、デジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする付記１８に記載の表示装置。
　この出願は、２０１２年７月１９日に出願された日本出願特願２０１２－１６０４１９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。
　３Ａ、３Ｂ　　プロジェクタ
　１００～７００　　光学装置
　１０１　　光源
　１０２　　導光層
　１０３　　金属層
　２０４　　誘電体層
　３０５　　位相変調層
　３０６　　位相変調層
　４０７　　角度変換層
　６０８　　偏光子層
　７０９　　入射口
　７１０　　反射部
　８００Ｒ、８００Ｇ、８００Ｂ、９００　　光学装置
　８１１Ｒ，８１１Ｇ，８１１Ｂ、９１１　　液晶パネル
　８１２　　クロスダイクロイックプリズム
　８１３、９１３　　投射光学系
　８１４　　スクリーン

Claims (10)

  1. 　第１の面に周期構造を有する導光層と、
    　前記第１の面上に設けられた金属層と、を備え、
    　前記導光層は、光を該導光層の内部に入射する少なくとも１つの入射面と、
    　前記入射面と前記第１の面とを除き、該導光層の内部の光を該導光層の外部に出射する少なくとも１つの出射面と、を含むことを特徴とする光学装置。
  2. 　前記導光層は、前記第１の面と前記出射面との間で光を多重反射して導光し、前記第１の面において生成された光を前記出射面から出射することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記第１の面と前記金属層との間の少なくとも一部に第１の誘電体層を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
  4. 　前記周期構造は、１次元の周期構造であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光学装置。
  5. 　前記周期構造の周期は、２５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の光学装置。
  6. 　前記第１の面と前記出射面との間に位相変調層を設けたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の光学装置。
  7. 　前記出射面に角度変換層を設けたことを特徴とする請求項１乃至６に記載の光学装置。
  8. 　前記導光層は、前記入射面および前記出射面を除いた面に第２の誘電体層を介して反射層を備えることを特徴とする請求項１乃至７に記載の光学装置。
  9. 　前記光源を複数備え、該複数の光源の波長が互いに同じか又は異なることを特徴とする請求項１乃至８に記載の光学装置。
  10. 　請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学装置と、
    　前記光学装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調素子と、を有することを特徴とする表示装置。
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