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WO2012049905A1 - 光学素子、光源および投射型表示装置 - Google Patents

光学素子、光源および投射型表示装置 Download PDF

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WO2012049905A1
WO2012049905A1 PCT/JP2011/068293 JP2011068293W WO2012049905A1 WO 2012049905 A1 WO2012049905 A1 WO 2012049905A1 JP 2011068293 W JP2011068293 W JP 2011068293W WO 2012049905 A1 WO2012049905 A1 WO 2012049905A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
light
optical element
plasmon
plasmon excitation
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2011/068293
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English (en)
French (fr)
Inventor
昌尚 棗田
慎 冨永
雅雄 今井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
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Priority to US13/877,186 priority patent/US9086619B2/en
Priority to CN201180049777.1A priority patent/CN103154804B/zh
Publication of WO2012049905A1 publication Critical patent/WO2012049905A1/ja
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    • G02F2/02—Frequency-changing of light, e.g. by quantum counters
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/30—Metamaterials

Definitions

  • the present invention relates to an optical element, a light source, and a projection display device using surface plasmons.
  • a phosphor layer In the plasmon coupled radiating element, a phosphor layer, a metal layer, and an emission layer are laminated in order.
  • fluorescence is generated by incident light from the light emitting element, and the fluorescence is plasmon coupled with free electrons in the metal layer to excite surface plasmons on the surface of the metal layer.
  • the surface plasmon is converted into light having a predetermined emission angle at the emission layer and emitted.
  • the coupling efficiency between the fluorescence and the surface plasmon is increased by adjusting the dielectric constant of the carrier generation layer, the emission layer, etc. High efficiency and high brightness are achieved.
  • the plasmon coupled radiation element can be further improved in efficiency and brightness. According to the simulations of the present inventors, it has been found that the fluorescence generated in the phosphor in the range from about 10 nm to several tens of nm from the surface of the metal layer on the phosphor layer side is most efficiently combined with the surface plasmon. For this reason, if the thickness of the phosphor layer is set to about several tens of nm, the coupling efficiency between the fluorescence and the surface plasmon can be further improved.
  • a phosphor layer having a film thickness of about several tens of nm cannot sufficiently absorb incident light, and fluorescence that converts incident light into fluorescence. Conversion efficiency is lowered. For this reason, when the film thickness of the phosphor layer is set to about several tens of nm, the coupling efficiency between the fluorescence and the surface plasmon is improved, but the fluorescence conversion efficiency of the phosphor layer is lowered, so that the higher efficiency of the plasmon coupled radiation element Higher brightness and higher brightness cannot be expected.
  • An object of the present invention is to provide an optical element, a light source device, and a projection display device capable of further increasing the efficiency and brightness.
  • a phosphor layer that generates fluorescence by incident light and a plasmon excitation layer that excites a first surface plasmon by the fluorescence are sequentially stacked, and a surface that contacts the phosphor layer in the plasmon excitation layer
  • the light source device includes the optical element and a light emitting element that makes light incident on the optical element.
  • a projection display device includes a light source device, a modulation element that modulates and emits light from the light source device, a projection optical system that projects light from the modulation element and displays an image. Have.
  • FIG. 6 is a contour diagram showing the relationship between each parameter of an optical element and a plasmon resonance wavelength when the material of the metal fine particles is Al.
  • FIG. 6 is a contour diagram showing the relationship between each parameter of an optical element and a plasmon resonance wavelength when the material of the metal fine particles is Au. It is a contour map which shows the relationship between each parameter of an optical element when the material of metal microparticles is Au, and light absorption efficiency.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of the optical element of the present embodiment.
  • the actual thickness of each individual layer is very thin, and the difference in the thickness of each layer is large. Therefore, it is difficult to draw a diagram of each layer with an accurate scale and ratio. For this reason, in the drawings, the layers are not drawn in actual proportions, and the layers are schematically shown.
  • a carrier generation layer 11 on which light is incident As shown in FIG. 1, in the optical element 1 of the present embodiment, a carrier generation layer 11 on which light is incident, a plasmon excitation layer 12 stacked on the carrier generation layer 11, and a wave number stacked on the plasmon excitation layer 12. And a vector conversion layer 13.
  • the carrier generation layer 11 is a phosphor layer that generates a carrier (exciton) by absorbing a part of incident light and generates fluorescence by the carrier.
  • Examples of the material of the carrier generation layer 11 include organic phosphors such as rhodamine (Rhodamine 6G) and sulforhodamine (Sulforhodamine 101), inorganic phosphors such as Y2O2S: Eu, BaMgAlxOy: Eu and BaMgAlxOy: Mn, CdSe and CdSe. Quantum dot phosphors such as / ZnS quantum dots, inorganic materials (semiconductors) such as GaN and GaAs, (thiophene / phenylene) co-oligomers, and organic materials (semiconductor materials) such as Alq3.
  • the carrier generation layer 11 may include a mixture of materials that fluoresce light having a plurality of wavelengths having the same or different emission wavelengths.
  • the film thickness of the carrier generation layer 11 is desirably 1 ⁇ m or less.
  • the carrier generation layer 11 includes metal fine particles 14 for increasing the apparent absorbance of incident light.
  • the apparent absorbance is the absorbance measured when light is incident on the entire surface of the carrier generation layer 11 in which the metal fine particles 14 are dispersed as a homogeneous layer.
  • the metal fine particles 14 interact with the incident light to excite surface plasmons on the surface of the metal fine particles 14 and induce an enhanced electric field having a magnitude close to 100 times the electric field intensity of the incident light near the surface. . Since carriers are also generated in the carrier generation layer 11 by this enhanced electric field, the number of carriers in the carrier generation layer 11 increases. For this reason, the metal fine particles 14 can increase the apparent absorbance of the incident light by the surface plasmon excited on the surface of the metal fine particles 14 and increase the light intensity of the fluorescence.
  • Examples of the material of the metal fine particles 14 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 14 may have a core-shell structure in which metal species are different in the periphery and the center, a hemispherical 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 14 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 14 include those obtained by processing a metal thin film into a structure composed of a closed surface with a side of less than 10 ⁇ m by fine processing typified by semiconductor lithography technology.
  • the plasmon excitation layer 12 is a fine particle layer or a thin film layer formed of a metal material having a plasma frequency higher than the frequency of the fluorescence generated in the carrier generation layer 11 (light emission frequency).
  • the plasmon excitation layer 12 is a fine particle layer or a thin film layer having a negative dielectric constant at the emission frequency of the fluorescence generated in the carrier generation layer 11.
  • the plasmon excitation layer 12 excites surface plasmons on the surface by the fluorescence generated in the carrier generation layer 11.
  • the surface plasmon excited on the surface of the plasmon excitation layer 12 is an example of the first surface plasmon
  • the surface plasmon excited on the surface of the metal fine particle 14 is an example of the second surface plasmon.
  • Examples of the material of the plasmon excitation layer 12 include gold, silver, copper, platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, and aluminum. Or alloys thereof.
  • gold, silver, copper, platinum, aluminum and alloys containing these as main components are preferable, and gold, silver, aluminum and alloys containing these as main components are particularly preferable.
  • the thickness of the plasmon excitation layer 12 is preferably formed to be 200 nm or less, and particularly preferably about 10 nm to 100 nm.
  • the wave vector conversion layer 13 converts the wave vector of the surface plasmon excited at the interface between the plasmon excitation layer 12 and the wave vector conversion layer 13 so that light is transmitted from the interface between the plasmon excitation layer 12 and the wave vector conversion layer 13. Is an emission part for taking out light from the optical element 1. In other words, the wave vector conversion layer 13 converts the surface plasmon into light having a predetermined emission angle and emits the light from the optical element 1. Furthermore, the wave vector conversion layer 13 has a function of emitting outgoing light from the optical element 1 so as to be substantially orthogonal to the interface between the plasmon excitation layer 12 and the wave vector conversion layer 13.
  • Examples of the wave vector conversion layer 13 include a surface relief grating, a periodic structure or a quasi-periodic structure typified by a photonic crystal, a texture structure larger than the wavelength of light from the optical element 1, for example, a surface on which a rough surface is formed. Examples include a structure, a hologram, and a microlens array.
  • the quasi-periodic structure refers to, for example, an incomplete periodic structure in which a part of the periodic structure is missing. Among these, it is preferable to use a periodic structure or a quasi-periodic structure represented by a photonic crystal, or a microlens array. This is because not only the light extraction efficiency can be increased, but also the directivity can be controlled. When using a photonic crystal, it is desirable that the crystal structure has a triangular lattice structure. Further, the wave vector conversion layer 13 may have a structure in which a convex portion is provided on a flat base.
  • FIG. 2 and 3 show the relationship between the distance between the metal plane-exciton and the coupling efficiency to the plasmon in the absence of the metal fine particle 14, and a dielectric layer (in this embodiment, in this embodiment).
  • FIG. 4 is a diagram showing each dielectric constant ⁇ d of the carrier generation layer 11).
  • the metal plane-exciton distance is a distance from the carrier generated in the carrier generation layer 11 to the interface between the carrier generation layer 11 and the plasmon excitation layer 12.
  • the coupling efficiency to plasmon is the coupling efficiency of plasmon coupling between the fluorescence generated by the carrier and the surface plasmon excited by the plasmon excitation layer 12.
  • the plasmon excitation layer 12 is Ag
  • the plasmon excitation layer 12 is Au.
  • the wavelength of fluorescence is 530 nm.
  • the width (plane-exciton distance) of the region in which the carrier generation layer 11 absorbs light is preferably on the order of several tens of nm.
  • the extinction coefficient of a general phosphor it is difficult to absorb all the light in a narrow region of the order of several tens of nm as described above. For example, if the extinction coefficient of the phosphor is 0.2 and the wavelength of light to be absorbed is 405 nm, the phosphor needs to have a thickness of about 160 nm.
  • the light absorption in the region where the coupling efficiency is high is improved by using the electric field enhancement effect by the surface plasmon generated in the metal fine particles 14. .
  • the radius of the metal fine particle 14 In order to excite the surface plasmon on the surface of the metal fine particle 14, it is necessary to make the radius of the metal fine particle 14 sufficiently smaller than the wavelength of the light incident on the carrier generation layer 11, for example, the light incident on the carrier generation layer 11. When visible light is used, it is desirable that the radius of the metal fine particles is about several nm to several tens of nm.
  • the carrier generation layer 11 is about 1 ⁇ m, the width of the region with high coupling efficiency is on the order of several tens of nanometers. Therefore, in order to improve the light absorption in the region with high coupling efficiency, carrier generation is performed.
  • the concentration of the metal fine particles 13 in the region on the plasmon excitation layer 12 side from the center of the layer 11 is preferably higher than the concentration of the metal fine particles 13 in the region on the opposite side of the plasmon excitation layer 12 from the center of the carrier generation layer 11. Furthermore, it is more desirable that the metal fine particles 14 be dispersed only in the region on the plasmon excitation layer 12 side from the center of the carrier generation layer 11.
  • the range in which the metal fine particle 14 exists is 5 nm from the interface between the carrier generation layer 11 and the plasmon excitation layer 12 + the range of half the radius of the metal fine particle 14 to 100 nm. It is desirable to limit.
  • the carrier generation layer 11 has the metal fine particles 14 that excite the surface plasmon by the incident light, and increases the light intensity of the fluorescence by the surface plasmon excited by the metal fine particle 14. Let For this reason, since it becomes possible to make the fluorescence conversion efficiency of the carrier production
  • the metal fine particles 14 are dispersed on the plasmon excitation layer 12 side of the carrier generation layer 11. In this case, it is possible to improve the light absorption in a region where the coupling efficiency is high, and it is possible to improve the coupling efficiency between fluorescence and surface plasmon. Therefore, further higher efficiency and higher brightness can be achieved.
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing the configuration of the light source device of this embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the behavior of light in the light source device of this embodiment.
  • the light source device 100 includes a plurality of light emitting elements 101 (101a to 101n) and an optical element 102 on which light emitted from these light emitting elements 101 is incident.
  • the optical element 102 includes a light guide 21 on which light emitted from the light emitting element 101 is incident, and a directivity control layer 22 that emits emitted light by the light from the light guide 21.
  • the light emitting elements 101a to 101n are arranged on the four side surfaces of the flat light guide 21 with predetermined intervals.
  • a surface where the light emitting elements 101a to 101n are connected to the side surface is referred to as a light incident surface 23.
  • the light emitting element 101 for example, a light emitting diode (LED), a laser diode, or a super luminescent diode that emits light having a wavelength that can be absorbed by the carrier generation layer 11 is used.
  • the light emitting element 101 may be arranged away from the light incident surface 23 of the light guide 21 and may be configured to be optically connected to the light guide 21 by a light guide member such as a light pipe.
  • the light guide 21 is formed in a flat plate shape, but the shape of the light guide 21 is not limited to a flat plate shape.
  • a structure body that controls light distribution characteristics such as a microprism may be provided inside the light guide body 21.
  • the light guide 21 may be provided with a reflective film (not shown) on the whole or a part of the outer peripheral surface excluding the light emitting part 24 and the light incident surface 23.
  • the light source device 100 may be provided with a reflective film (not shown) on the whole or a part of the outer peripheral surface excluding the light emitting part 24 and the light incident surface 23.
  • the reflective film for example, a metal material such as silver or aluminum, or a dielectric multilayer film can be used.
  • the directivity control layer 22 is a layer for increasing the directivity of light emitted from the light source device 100, and has the same configuration as the optical element 1 shown in FIG. 1, as shown in FIG. In FIG. 6, the carrier generation layer 11 is disposed immediately above the light guide 21.
  • the wave vector conversion layer 13 is disposed immediately above the plasmon excitation layer 12, but a dielectric layer having a thickness of less than 1 ⁇ m is inserted between the wave vector conversion layer 13 and the plasmon excitation layer 12. It may be.
  • the plasmon excitation layer 12 is sandwiched between two layers having dielectric properties. In the present embodiment, these two layers correspond to the carrier generation layer 11 and the wave vector conversion layer 13.
  • the optical element 102 in this embodiment has an effective dielectric constant of an incident side portion (hereinafter simply referred to as an incident side portion) including the entire structure laminated on the light guide 21 side of the plasmon excitation layer 12 so that the plasmon excitation Effective dielectric constant of an emission side portion (hereinafter simply referred to as an emission side portion) including the entire structure laminated on the wave vector conversion layer 13 side of the layer 12 and a medium (for example, air) in contact with the wave vector conversion layer 13 It is comprised so that it may become higher.
  • the entire structure stacked on the light guide 21 side of the plasmon excitation layer 12 includes the light guide 21.
  • the entire structure stacked on the wave vector conversion layer 13 side of the plasmon excitation layer 12 includes the wave vector conversion layer 13.
  • the effective dielectric constant of the incident side portion including the light guide 21 and the carrier generation layer 11 with respect to the plasmon excitation layer 12 is such that the wave vector conversion layer 13 and the medium with respect to the plasmon excitation layer 12 are It is higher than the effective dielectric constant of the exit side including.
  • surface plasmons are generated on the surface of the plasmon excitation layer 12 opposite to the surface in contact with the phosphor layer 11.
  • the real part of the complex effective dielectric constant of the incident side portion (light emitting element 101 side) of the plasmon excitation layer 12 is the complex effective dielectric constant of the emission side portion (wave number vector conversion layer 13 side) of the plasmon excitation layer 12. It is set higher than the real part.
  • the complex effective dielectric constant ⁇ eff is emitted from the carrier generation layer 11 with the direction parallel to the interface of the plasmon excitation layer 12 as the x axis and the y axis and the direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer 12 as the z axis.
  • the angular frequency of the fluorescence is ⁇
  • the dielectric constant distribution of the dielectric in the incident side portion and the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 12 is ⁇ ( ⁇ , x, y, z)
  • the z component of the wave number of the surface plasmon is k spp, z ,, if the imaginary unit with j,
  • the integration range D is a range of three-dimensional coordinates of the incident side portion or the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 12.
  • the x-axis and y-axis direction ranges in the integration range D are ranges that do not include the medium up to the outer peripheral surface of the structure included in the incident side portion or the outer peripheral surface of the structure included in the output side portion. This is the range up to the outer edge in the plane parallel to the interface of the excitation layer 12.
  • the range in the z-axis direction in the integration range D is the range of the incident side portion or the emission side portion (including the medium).
  • the z component k spp, z of the surface plasmon wave number, the x and y components k spp of the surface plasmon wave number, ⁇ metal represents the real part of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 12, and k represents the wave number of light in vacuum. If 0 ,
  • equation (1) using equation (2), Equation (3), the dielectric constant distribution ⁇ ( ⁇ , x, y, z) as the dielectric constant distribution of the incident side portion of plasmon excitation layer 12 epsilon in (omega , X, y, z), and the dielectric constant distribution ⁇ out ( ⁇ , x, y, z) of the emission side portion of the plasmon excitation layer 12 are respectively substituted and calculated, whereby the incident side portion with respect to the plasmon excitation layer 12 is calculated.
  • Complex effective dielectric layer ⁇ effin , and the complex effective dielectric constant ⁇ effout of the emission side portion are obtained.
  • Equation (3) the complex effective dielectric constant epsilon eff .
  • the dielectric constant of the layer in contact with the plasmon excitation layer 12 is very high, the z component k spp, z of the surface plasmon wave number at the interface is a real number. This corresponds to the absence of surface plasmons at the interface. Therefore, the dielectric constant of the layer in contact with the plasmon excitation layer 12 corresponds to the effective dielectric constant.
  • the effective interaction distance of the surface plasmon is a distance at which the intensity of the surface plasmon is e ⁇ 2
  • the effective interaction distance d eff of the surface plasmon is
  • the imaginary part of the complex dielectric constant should be as low as possible in any layer including the light guide 21 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 13 except for the carrier generation layer 11 and the plasmon excitation layer 12. preferable. By making the imaginary part of the complex dielectric constant as low as possible, plasmon coupling can be easily generated and light loss can be reduced.
  • the medium around the light source device 100 that is, the medium in contact with the light guide 21 and the wave vector conversion layer 13 may be solid, liquid, or gas.
  • the light guide 21 side and the wave vector conversion layer 13 side May be different media.
  • light emitted from the light emitting element 101 f transmits through the light incident surface 23 of the light guide 21 and propagates while totally reflecting inside the light guide 21. To do. At this time, a part of the light incident on the interface between the light guide 21 and the directivity control layer 22 has a light emitting part 24 in a direction and a wavelength according to characteristics to be described later in the plasmon excitation layer 12 of the directivity control layer 22. It is emitted from. The light that has not been emitted from the light emitting unit 24 is returned to the light guide 21, and a part of the light incident on the interface between the light guide 21 and the directivity control layer 22 is transmitted through the directivity control layer 22 again.
  • the light is emitted from the light emitting unit 24.
  • the light emitted from the light emitting element 101m disposed at the position facing the light emitting element 101f with the light guide 21 interposed therebetween, and the light transmitted through the light incident surface 23 is also similar.
  • the light is emitted from the light emitting unit 24.
  • the direction and wavelength of light emitted from the light emitting unit 24 depend only on the characteristics of the directivity control layer 22, and the incident angle to the position of the light emitting element 101 and the interface between the light guide 21 and the directivity control layer 22. Is independent.
  • a configuration including the wave vector conversion layer 13 made of a photonic crystal will be described.
  • the light propagating through the light guide 21 by total reflection breaks the total reflection condition at the interface between the light guide 21 and the carrier generation layer 11 and enters the carrier generation layer 11.
  • the light incident on the carrier generation layer 11 generates carriers in the carrier generation layer 11 and excites surface plasmons on the surface of the metal fine particles 14.
  • the surface plasmon excited on the surface of the metal fine particle 14 induces an enhanced electric field having a magnitude close to 100 times the electric field intensity of the light incident on the carrier generation layer 11 due to the electric field enhancement effect.
  • Carriers are also generated in the carrier generation layer 11 by this enhanced electric field.
  • Fluorescence is generated by carriers generated in the carrier generation layer 11, and the fluorescence causes plasmon coupling with free electrons in the plasmon excitation layer 12, and surface plasmon is generated at the interface between the plasmon excitation layer 12 and the wave vector conversion layer 13. Excited. The excited surface plasmon is diffracted by the wave vector conversion layer 13 and emitted to the outside of the light source device 100.
  • the surface plasmon generated at this interface cannot be extracted.
  • the surface plasmon is diffracted and extracted as light by making the wave vector conversion layer 13 have a periodic structure or the like.
  • the light emitted from one point of the wave vector conversion layer 13 has an annular intensity distribution that spreads concentrically as it propagates.
  • the central emission angle theta rad of the light emitted from the wave number vector conversion layer 13, the pitch of the periodic structure of the wave number vector conversion layer 13 lambda, the plasmon excitation layer 12 If the wave number x, y component of the surface plasmon on the wave vector conversion layer side is k spppout , the dielectric constant of the surrounding medium is ⁇ m , and the wavelength of light emitted from the wave vector conversion layer 13 in vacuum is k 0 . ,
  • i is a positive or negative integer.
  • the light source device 100 converts the light from the light emitting element 101 into the emitted light using the optical element 1, it is possible to achieve high efficiency and high luminance.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a directivity control layer included in the light source device of the third embodiment.
  • the dielectric layer 31 is included in a range where the dielectric constant of the dielectric layer 31 is kept lower than the effective dielectric constant of the incident side portion relative to the plasmon excitation layer 12. Therefore, the dielectric constant of the dielectric layer 31 does not need to be larger than the effective dielectric constant of the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 12.
  • the dielectric layer 31 may be formed of a material different from that of the carrier generation layer 11. For this reason, this embodiment can raise the freedom degree of material selection of the carrier production
  • the dielectric layer 31 for example, diamond, TiO 2, CeO 2, Ta 2 O 5, ZrO 2, Sb 2 O 3, HfO 2, La 2 O 3, NdO 3, Y 2 O 3, ZnO, Nb 2 It is preferable to use a thin film or a porous film made of a high dielectric constant material such as O 5 .
  • the dielectric layer 31 is preferably formed of a conductive material.
  • the thickness of the dielectric layer 31 is desirably as thin as possible. The allowable maximum value of the thickness corresponds to the distance at which plasmon coupling occurs between the carrier generation layer 11 and the plasmon excitation layer 12, and is calculated from the equation (4).
  • the effective dielectric constant of the incident side portion including the light guide 21, the carrier generation layer 11, and the dielectric layer 31 is a wave vector. It is set higher than the effective dielectric constant of the exit side portion including the conversion layer 13 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 13.
  • a dielectric layer (not shown) may be inserted between the plasmon excitation layer 12 and the wave vector conversion layer 13. However, this dielectric layer is included in a range in which the dielectric constant of the dielectric layer is kept lower than the effective dielectric constant of the incident side with respect to the plasmon excitation layer 12. Therefore, the dielectric constant of the dielectric layer 31 does not have to be smaller than the effective dielectric constant of the incident side portion with respect to the plasmon excitation layer 12.
  • a thin film or a porous film such as SiO 2 nanorod array film, SiO 2 , AlF 3 , MgF 2 , Na 3 AlF 6 , NaF, LiF, CaF 2 , BaF 2 , low dielectric constant plastic, or the like is used. Is preferred.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the plasmon excitation layer can be provided by including the independent dielectric layer 31. It is possible to easily adjust the effective dielectric constant of the 12 incident side portions.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a directivity control layer included in the light source device of the fourth embodiment.
  • the directivity control layer 22B in the fourth embodiment in addition to the configuration of the directivity control layer 22 shown in FIG. 6, between the plasmon excitation layer 12 and the wave number vector conversion layer 13 It further has a dielectric layer 32 sandwiched, and a dielectric layer 33 provided between the carrier generation layer 11 and the plasmon excitation layer 12.
  • the dielectric constant of the dielectric layer 33 is preferably lower than the dielectric constant of the dielectric layer 32.
  • the dielectric layer 32 and the dielectric layer 33 are included in a range in which the effective dielectric constant of the incident side portion is kept lower than the effective dielectric constant of the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 12. Therefore, the dielectric constant of the dielectric layer 32 does not need to be larger than the effective dielectric constant of the incident side portion with respect to the plasmon excitation layer 12, and the dielectric constant of the dielectric layer 33 is the effective dielectric constant of the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 12. It need not be smaller than the rate.
  • the imaginary part of the dielectric constant of the dielectric layer 32 and the dielectric layer 33 is as small as possible. This is because plasmon coupling can be facilitated and light loss can be reduced.
  • the dielectric layer 33 for example, SiO 2 or nanorod array film, SiO 2, AlF 3, MgF 2, Na 3 AlF 6, NaF, LiF, CaF 2, BaF 2, a thin film or a porous, such as low dielectric constant plastic It is preferable to use a membrane.
  • the dielectric layer 32 include diamond, TiO 2 , CeO 2, Ta 2 O 5, ZrO 2, Sb 2 O 3 , HfO 2 , La 2 O 3 , NdO 3 , Y 2 O 3 , ZnO, It is preferable to use a high dielectric constant material such as Nb 2 O 5 .
  • the effective dielectric constant on the emission side of the plasmon excitation layer 12 becomes higher than the effective dielectric constant on the incident side.
  • the fluorescence generated in the charge generation layer 11 cause electrons and plasmon coupling in plasmon excitation layer 12 and emitted is converted into light in the dielectric layer 32 side of plasmon excitation layer 12.
  • the emitted light is diffracted by the wave vector conversion layer and extracted outside.
  • the periodic structure of the wave number vector conversion layer 13 In the vacuum of the light emitted from the wave vector conversion layer 13, the pitch is ⁇ , the x and y components of the wave number of the surface plasmon on the carrier generation layer 11 side of the plasmon excitation layer 12 are k sppin , the dielectric constant of the surrounding medium is ⁇ m . If the wavelength of k is k 0 ,
  • i is a positive or negative integer.
  • the effective dielectric constant of the incident side portion is kept lower than the effective dielectric constant of the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 12, even if one or both of the dielectric layers 32 and 33 are excluded. Operate.
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating a directivity control layer included in the light source device of the fifth embodiment. As shown in FIG. 9, in the directivity control layer 22 ⁇ / b> C according to the fifth embodiment, the carrier generation layer 11 and the plasmon excitation layer 41 are sequentially stacked on the light guide 12.
  • the plasmon excitation layer 41 has a function of the wave vector conversion layer 13 on the surface opposite to the surface in contact with the carrier generation layer 11 (that is, a function as an emission part).
  • the point which has the periodic structure 42 which plays is different.
  • the periodic structure 42 is configured by a one-dimensional or two-dimensional lattice structure (uneven structure).
  • the periodic structure 42 may be any periodic structure such as a sin function, a sawtooth wave, a triangular wave, and a square wave shape, or may be a step approximation of them. Further, the surface of the plasmon excitation layer 41 opposite to the surface having the periodic structure 42 may have a periodic structure.
  • the wave number of the surface plasmon at the interface with the layer 41 is k spp, sub
  • the wave vector in the x direction of the periodic structure 42 of the plasmon excitation layer 41 is K x
  • the wave vector in the y direction is K y , where the xy plane is the substrate 21) (surface parallel to 21)
  • Light is emitted from the plasmon excitation layer 41 in the direction of the angle ⁇ that satisfies the above.
  • m and n are positive or negative integers.
  • the light intensity of the emitted light from the light source device 100 is
  • the wave number k spp, medi of the surface plasmon at the interface between the medium in contact with the plasmon excitation layer 41 and the plasmon excitation layer 41, and the wave number of the surface plasmon at the interface between the carrier generation layer 11 and the plasmon excitation layer 41 are represented by k spp, sub. Is
  • the plasmon excitation layer 41 may have a periodic structure (not shown) on the carrier generation layer 11 side.
  • the same effects as those of the first to fourth embodiments can be obtained.
  • the directivity control layer of the present embodiment has a smaller number of layers than the first to fourth directivity control layers, so that the manufacturing process can be reduced.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the projection display apparatus of the present embodiment.
  • the LED projector of the embodiment includes a light source device for red (R) light 100r, a light source device for green (G) light 100g, a light source device for blue (B) light 100b, and light source devices 100r and 100g. And 100b and illumination optical systems 120r, 120g, and 120b, respectively, and light valves 121r, 121g, and 121b as modulation elements that receive light that has passed through the illumination optical systems 120r, 120g, and 120b. .
  • the projection display device includes a cross dichroic prism 122 that synthesizes R, G, and B light that has been modulated and entered by light valves 121r, 121g, and 121b, and a light beam emitted from the cross dichroic prism 122.
  • a projection optical system 123 including a projection lens (not shown) for projecting onto the projection surface.
  • This projection display device has a configuration applied to a so-called three-plate projector.
  • the illumination optical systems 120r, 120g, and 120b include rod lenses (not shown) for making the luminance uniform.
  • the light valves 121r, 121g, and 121b include, for example, a liquid crystal display panel, a DMD (Digital Micromirror Device), and the like. Needless to say, the light source device of the above-described embodiment can also be applied to a single-plate projector.
  • the brightness of the projected image can be improved by applying the light source device 100 to the projection display device.
  • the light source device 100 can be applied to devices other than the projection display device.
  • the light source device 100 may be applied to a direct light source device of a liquid crystal display panel (LCD: Liquid Crystal Display), or may be applied to a backlight such as a mobile phone or a PDA (Personal Data Assistant).
  • the light source device 100 may be applied to light source devices of various sensing devices.
  • Example 1 the absorption efficiency of incident light in the optical element 1 is evaluated.
  • the wavelength of incident light incident on the carrier generation layer 11 is 405 nm
  • the imaginary part of the dielectric constant of the phosphor at a wavelength of 405 nm is 0.2
  • the filling rate of the metal fine particles 14 is 50%.
  • the absorption efficiency is shown as a magnification from the value when the metal fine particles 14 are not present.
  • the filling rate of the metal fine particles 14 is the ratio of the metal fine particles 14 to the total volume of the carrier generation layer 11.
  • the parameters of the optical element 1 (specifically, the radius a of the metal fine particles 14 and the relative dielectric constant ⁇ phosphor of the carrier generation layer 11) and the metal fine particles 14
  • the relationship between the excited surface plasmon and the plasmon resonance wavelength is as shown in the contour diagram of FIG.
  • the relationship between the parameters of the optical element 1 and the absorption efficiency is as shown in the contour diagram shown in FIG. In this case, for example, if the radius a is 14 nm and the relative dielectric constant ⁇ phosphor is 4, the absorption efficiency is 11 times.
  • the absorption length which is the distance from the incident surface of the carrier generation layer 11 to the position where the intensity of incident light is 1 / e, is 45 nm.
  • the thickness of the carrier generation layer 11 is 22.5 nm when it is set to a thickness that absorbs 1 / e of incident light.
  • the relationship between the parameters and the plasmon resonance wavelength of the optical element 1, is as contour map shown in FIG. 14, parameters and the absorption efficiency of the optical element 1 Is a contour map shown in FIG.
  • the absorption efficiency is 14 times.
  • the absorption length is 35 nm.
  • the thickness of the carrier generation layer 11 is 17.5 nm when it is set to a thickness that absorbs 1 / e of incident light.
  • the relationship between the parameters and the plasmon resonance wavelength of the optical element 1 is as contour map shown in FIG. 16, parameters and the absorption efficiency of the optical element 1 Is a contour map as shown in FIG. In this case, for example, if the radius a is 11 nm and the relative dielectric constant ⁇ phosphor is 4, the absorption efficiency is 5 times. At this time, the absorption length is 76 nm.
  • the thickness of the carrier generation layer 11 is 38 nm when it is set to a thickness that absorbs 1 / e of incident light.
  • the relatively large metal fine particles 14 having a radius of 10 nm or more have an absorption efficiency of about 5 times or more. Further, even when the thickness of the carrier generation layer 11 is reduced to about several tens of nanometers, it is possible to absorb light that is 1 / e or more of incident light, so that a highly efficient and high-luminance plasmon coupled radiating element can be realized. .

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Abstract

　更なる高効率化および高輝度化が可能な光学素子を提供する。　入射光によって蛍光を生じるキャリア生成層１１と、蛍光によって第１の表面プラズモンを励起するプラズモン励起層１２と、第１の表面プラズモンを光に変換して出射する出射層１３とが順に積層された光学素子１において、キャリア生成層１１が、入射光によって第２の表面プラズモンを励起する金属微粒子を有する。

Description

光学素子、光源および投射型表示装置
　本発明は、表面プラズモンを利用した光学素子、光源および投射型表示装置に関する。
　近年、表面プラズモンが光源装置やセンシング装置などの様々な分野で注目されている（特許文献１～３、非特許文献１、２参照）。表面プラズモンは、金属中で振動する自由電子の集団であり、金属と光の相互作用によって金属表面に励起される。
　本願発明者らは、特願２００９－２２７３３１や特願２０１０－０４７９４４（出願時未公開）などにおいて、高輝度かつ高指向性を有する光源装置を提供するために、表面プラズモンを利用した光学素子であるプラズモン結合放射素子を提案している。
　プラズモン結合放射素子では、蛍光体層と、金属層と、出射層とが順番に積層されている。蛍光体層では、発光素子からの入射光によって蛍光が生じ、その蛍光が金属層内の自由電子とプラズモン結合して、金属層の表面に表面プラズモンを励起する。表面プラズモンは、出射層にて所定の出射角を有する光に変換されて出射される。
　上記の特願２００９－２２７３３１や特願２０１０－０４７９４４などでは、キャリア生成層や出射層などの誘電率を調整することで、蛍光と表面プラズモンとの結合効率を高くして、プラズモン結合放射素子の高効率化および高輝度化を実現している。
特開２００４－１５６９１１号公報 特表２００５－５２４０８４号公報 特開２００６－３１３６６７号公報
ＮＡＮＯ　ＬＥＴＴ．　Ｖｏｌ．５，　Ｎｏ．８　ｐｐ．１５５７－１５６１　（２００５） Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ　Ｖｏｌ．２３，　Ｎｏ．８　ｐｐ．１６７４－１６７８　（２００６）
　蛍光と表面プラズモンとの結合効率をさらに向上させることができれば、プラズモン結合放射素子の更なる高効率化および高輝度化を実現することができる。本願発明者らのシミュレーションによれば、金属層の蛍光体層側の表面から１０ｎｍ～数１０ｎｍ程度までの範囲の蛍光体で生じた蛍光が最も効率よく表面プラズモンと結合することが分かった。このため、蛍光体層の膜厚を数１０ｎｍ程度にすれば、蛍光と表面プラズモンの結合効率をさらに向上させることができる。
　しかしながら、一般的な蛍光体材料の消衰係数はあまり高くないので、数１０ｎｍ程度の膜厚の蛍光体層では、入射光を十分に吸収することができず、入射光を蛍光に変換する蛍光変換効率が低くなる。このため、蛍光体層の膜厚を数１０ｎｍ程度にすると、蛍光と表面プラズモンとの結合効率は向上するが、蛍光体層の蛍光変換効率が低くなるので、プラズモン結合放射素子の更なる高効率化および高輝度化があまり期待できない。
　本発明の目的は、更なる高効率化および高輝度化が可能な光学素子、光源装置および投射型表示装置を提供することである。
　本発明による光学素子は、入射光によって蛍光を生じる蛍光体層と、前記蛍光によって第１の表面プラズモンを励起するプラズモン励起層とが順に積層され、該プラズモン励起層における前記蛍光体層と接する面の反対側の面に発生する前記第１の表面プラズモンまたは光を外部に出射光として取り出すための出射部とを有する光学素子であって、前記蛍光体層は、前記入射光によって第２の表面プラズモンを励起する金属微粒子を有する。
　また、本発明による光源装置は、前記光学素子と、前記光学素子に光を入射する発光素子と、を有する。
　また、本発明による投射型表示装置は、光源装置と、前記光源装置からの光を変調して出射する変調素子と、前記変調素子からの光を投射して、映像を表示する投射光学系と、を有する、を有する。
　本発明によれば、更なる高効率化および高輝度化が可能となる。
本発明の第１の実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。 金属（Ａｇ）表面－励起子間距離に対する結合効率の関係を示す図である。 金属（Ａｕ）表面－励起子間距離に対する結合効率の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態の光学装置の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す図である。 本発明の第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態の投射型画像表示装置を模式的に示す図である。 金属微粒子の材料がＡｌのときの光学素子の各パラメータとプラズモン共鳴波長との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｌのときの光学素子の各パラメータと光吸収効率との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｇのときの光学素子の各パラメータとプラズモン共鳴波長との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｇのときの光学素子の各パラメータと光吸収効率との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｕのときの光学素子の各パラメータとプラズモン共鳴波長との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｕのときの光学素子の各パラメータと光吸収効率との関係を示す等高線図である。
　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。
　（第１の実施形態）
　図１は、本実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。なお、光学素子において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。
　図１に示すように、本実施形態の光学素子１では、光が入射されるキャリア生成層１１と、キャリア生成層１１に積層されたプラズモン励起層１２と、プラズモン励起層１２に積層された波数ベクトル変換層１３とを有する。
　キャリア生成層１１は、入射光の一部を吸光してキャリア（励起子）を生成し、そのキャリアによって蛍光を生じさせる蛍光体層である。
　キャリア生成層１１の材料としては、例えば、ローダミン（Rhodamine 6G）やスルホローダミン（Sulforhodamine 101）等の有機蛍光体や、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：ＥｕやＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎ等の無機蛍光体、ＣｄＳｅやＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット等の量子ドット蛍光体、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）などが挙げられる。なお、キャリア生成層１１は、発光波長が同一または異なる複数の波長の光を蛍光する材料が混在されていてもよい。また、キャリア生成層１１の膜厚は１μｍ以下が望ましい。
　また、キャリア生成層１１は、入射光の見かけの吸光度を増大させるための金属微粒子１４を含む。ここで、見かけの吸光度とは、金属微粒子１４が分散されたキャリア生成層１１を、均質な層と考え、層全面に光を入射させたときに測定される吸光度である。金属微粒子１４は、入射光と相互作用することにより、金属微粒子１４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キャリア生成層１１内にキャリアが生成されるので、キャリア生成層１１内のキャリアの数が増加する。このため、金属微粒子１４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１４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１４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１４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１４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１４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。
　プラズモン励起層１２は、キャリア生成層１１で発生する蛍光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する金属材料によって形成された微粒子層または薄膜層である。言い換えれば、プラズモン励起層１２は、キャリア生成層１１で発生する蛍光の発光周波数において負の誘電率を有している微粒子層または薄膜層である。
　プラズモン励起層１２は、キャリア生成層１１で発生した蛍光により、表面に表面プラズモンを励起する。
　なお、プラズモン励起層１２の表面に励起される表面プラズモンは、第１の表面プラズモンの一例であり、金属微粒子１４の表面に励起された表面プラズモンは、第２の表面プラズモンの一例である。
　プラズモン励起層１２の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層１２の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。また、プラズモン励起層１２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。
　波数ベクトル変換層１３は、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面に励起された表面プラズモンの波数ベクトルを変換することで、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面から光を取り出し、光学素子１から光を出射すための出射部である。言い換えれば、波数ベクトル変換層１３は、表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して光学素子１から出射する。さらに言えば、波数ベクトル変換層１３は、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面にほぼ直交するように、光学素子１から出射光を出射させる機能を奏している。
　波数ベクトル変換層１３としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造又は準周期構造、光学素子１からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造、例えば粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造又は準周期構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層１３としては、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。
　次に、金属微粒子１４およびその配置についてより詳細に説明する。
　図２および図３は、金属微粒子１４が存在しない場合における、金属平面‐励起子間距離とプラズモンへの結合効率との関係を、プラズモン励起層１２に接している誘電体層（本実施形態では、キャリア生成層１１）の誘電率εｄごとに示す図である。金属平面‐励起子間距離は、キャリア生成層１１で生成されたキャリアからキャリア生成層１１およびプラズモン励起層１２の界面までの距離である。また、プラズモンへの結合効率は、キャリアによって生じた蛍光とプラズモン励起層１２で励起される表面プラズモンとのプラズモン結合の結合効率である。なお、図２では、プラズモン励起層１２をＡｇとし、図３では、プラズモン励起層１２をＡｕとしている。また、図２および図３では、蛍光の波長を５３０ｎｍとしている。
　図２および図３で示されたように、誘電率εｄが大きいほど、プラズモンへの結合効率のピーク値が大きくなり、その結合効率の半値全幅が狭くなる。光学素子１を高効率なものとするためには、誘電率εｄを比較的大きくし、かつ、キャリア生成層１１に結合効率の高い領域で光を吸収させる必要がある。この場合、キャリア生成層１１に光を吸収させる領域の幅（平面‐励起子間距離）は、数１０ｎｍオーダー程度が望ましい。
　しかしながら、一般的な蛍光体の消衰係数では、上記のような数１０ｎｍオーダーの狭い領域で光を全て吸収させることは困難である。例えば、蛍光体の消衰係数を０．２、吸収させる光の波長を４０５ｎｍとすると、蛍光体には１６０ｎｍ程度の膜厚が必要となる。
　そこで、本実施形態では、キャリア生成層１１に金属微粒子１４を設けることで、金属微粒子１４で生じる表面プラズモンによる電場増強効果を用いて、結合効率が高い領域における光の吸収度を向上させている。
　表面プラズモンを金属微粒子１４の表面に励起するためには、金属微粒子１４の半径を、キャリア生成層１１に入射する光の波長より十分小さくする必要があり、例えば、キャリア生成層１１に入射する光を可視光とした場合、金属微粒子の半径は、数ｎｍ～数十ｎｍ程度であることが望ましい。
　また、キャリア生成層１１が１μｍ程度であるとすると、結合効率が高い領域の幅が数十ｎｍオーダー程度であるので、結合効率が高い領域における光の吸収度を向上させるためには、キャリア生成層１１の中心よりプラズモン励起層１２側の領域における金属微粒子１３の濃度は、キャリア生成層１１の中心よりプラズモン励起層１２の反対側の領域における金属微粒子１３の濃度よりも高いことが望ましい。さらに言えば、金属微粒子１４は、キャリア生成層１１の中心よりプラズモン励起層１２側の領域のみに散布されていることがより望ましい。例えば、金属微粒子１４の半径を数ｎｍ～数１０ｎｍ程度とすると、金属微粒子１４の存在する範囲をキャリア生成層１１およびプラズモン励起層１２の界面から５ｎｍ＋金属微粒子１４の半径の半分～１００ｎｍの範囲に限定することが望ましい。
　また、金属微粒子が周期的に配列していると、表面プラズモンによる電場増強効果が強く作用して、電場がより増強されることが知られている。このため、金属微粒子同士の間隔を調整し、金属微粒子を周期的に配列することが望ましい。
　以上説明したように本実施形態によれば、キャリア生成層１１は、入射光によって表面プラズモンを励起する金属微粒子１４を有し、その金属微粒子１４に励起された表面プラズモンによって蛍光の光強度を増加させる。このため、キャリア生成層１１の蛍光変換効率を高くすることが可能になるので、高効率化および高輝度化が可能となる。
　また、本実施形態では、金属微粒子１４は、キャリア生成層１１のプラズモン励起層１２側に散布される。この場合、結合効率が高い領域における光の吸収度を向上させることが可能になり、蛍光と表面プラズモンの結合効率を向上させることが可能になる。したがって、更なる高効率化および高輝度化が可能となる。
　（第２の実施形態）
　本実施形態では、光学素子１を有する光源装置の一例を説明する。
　図４は、本実施形態の光源装置の構成を模式的に示す斜視図であり、図５は、本実施形態の光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図である。
　図４および図５に示すように、本実施形態の光源装置１００は、複数の発光素子１０１（１０１ａ～１０１ｎ）と、これら発光素子１０１から出射された光が入射する光学素子１０２とを備えている。光学素子１０２は、発光素子１０１から出射された光が入射する導光体２１と、この導光体２１からの光によって出射光を出射する指向性制御層２２と、を有している。
　発光素子１０１ａ～１０１ｎは、本実施形態では、平板状の導光体２１の４つの側面に、それぞれ所定の間隔をあけて配置されている。ここで、発光素子１０１ａ～１０１ｎが上記側面と接続されている面を光入射面２３とする。発光素子１０１としては、例えば、キャリア生成層１１が吸収できる波長の光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどが用いられる。発光素子１０１は、導光体２１の光入射面２３から離されて配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材によって導光体２１と光学的に接続される構成でもよい。
　また、実施形態では、導光体２１が平板状に形成されているが、導光体２１の形状は平板状に限定されるものではない。導光体２１の内部には、マイクロプリズムのような配光特性を制御する構造体が設けられていてもよい。また、導光体２１は、光出射部２４と光入射面２３を除く外周面の全面または一部に反射膜（不図示）が設けられていてもよい。同様に、光源装置１００は、光出射部２４と光入射面２３を除く外周面の全面または一部に反射膜（不図示）が設けられていてもよい。反射膜としては、例えば銀、アルミニウム等の金属材や、誘電体多層膜を用いることができる。
　指向性制御層２２は、光源装置１００からの出射光の指向性を高めるための層であり、図６で示したように、図１に示した光学素子１と同じ構成を有する。なお、図６では、キャリア生成層１１が導光体２１の直上に配置されている。また、波数ベクトル変換層１３は、プラズモン励起層１２の直上に配置されているが、波数ベクトル変換層１３とプラズモン励起層１２との間に、厚さが１μｍよりも薄い誘電体層が挿入されていてもよい。
　また、プラズモン励起層１２は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。本実施形態では、これら２つの層が、キャリア生成層１１と波数ベクトル変換層１３に対応している。そして、本実施形態における光学素子１０２は、プラズモン励起層１２の導光体２１側に積層された構造全体を含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層１２の波数ベクトル変換層１３側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層１３に接する媒質（例えば、空気）とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層１２の導光体２１側に積層された構造全体には、導光体２１が含まれる。プラズモン励起層１２の波数ベクトル変換層１３側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層１３が含まれる。
　つまり、第１の実施形態では、プラズモン励起層１２に対する、導光体２１及びキャリア生成層１１を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１２に対する、波数ベクトル変換層１３と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。この場合、プラズモン励起層１２における蛍光体層１１と接する面の反対側の面には、表面プラズモンが発生する。
　より詳細には、プラズモン励起層１２の入射側部分（発光素子１０１側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１２の出射側部分（波数ベクトル変換層１３側）の複素実効誘電率の実部よりも高く設定されている。
　ここで、複素実効誘電率εeffは、プラズモン励起層１２の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１２の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層１１から出射する蛍光の角周波数をω、プラズモン励起層１２に対する入射側部分及び出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、、虚数単位をｊとすれば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１２に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１２の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。入射側部分および出射側部分の実効誘電率の算出において、Ｚ座標は共に、プラズモン励起層１２とそれに接する層との界面をＺ＝０とし、その界面からプラズモン励起層１２と反対方向へ遠ざかる方向を＋Ｚ方向としている。
　また、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層１２の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、誘電率分布ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１２の入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層１２の出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層１２に対する入射側部分の複素実効誘電体層εeffin、及び出射側部分の複素実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率εeffを容易に求められる。プラズモン励起層１２に接する層の誘電率が非常に高い場合、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。そのため、プラズモン励起層１２に接する層の誘電率が実効誘電率に相当することになる。
　ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ－２となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄｅｆｆは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
で表わされる。
　なお、キャリア生成層１１、プラズモン励起層１２を除き、導光体２１を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層１３に接する媒質においても、複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。
　光源装置１００の周囲の媒質、つまり導光体２１や波数ベクトル変換層１３に接する媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、導光体２１側と波数ベクトル変換層１３側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
　次に、光源装置１００において、発光素子１０１から指向性制御層２２に入射した光が、指向性制御層２２の光出射部２４から出射される動作を説明する。
　図５に示すように、複数の発光素子１０１のうち、例えば発光素子１０１ｆから出射された光は、導光体２１の光入射面２３を透過し、導光体２１内を全反射しながら伝播する。このとき、導光体２１と指向性制御層２２との界面に入射した光の一部は、指向性制御層２２のプラズモン励起層１２における後述する特性に応じた方向および波長で光出射部２４から出射される。光出射部２４から出射されなかった光は導光体２１に戻され、再度、導光体２１と指向性制御層２２との界面に入射した光の一部が、指向性制御層２２を透過し、光出射部２４から出射される。これらの繰り返しによって、導光体２１に入射した光の大半が光出射部２４から出射される。また、複数の発光素子１０１のうち、導光体２１を間に挟んで発光素子１０１ｆに対向する位置に配置された発光素子１０１ｍから出射し、光入射面２３を透過した光についても同様に、光出射部２４から出射される。光出射部２４から出射される光の方向および波長は、指向性制御層２２の特性にのみ依存し、発光素子１０１の位置、導光体２１と指向性制御層２２との界面への入射角には無依存である。以降特にことわらない限り、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１３を備える構成について説明する。
　導光体２１内を全反射で伝播している光は、導光体２１とキャリア生成層１１との界面では全反射条件が崩れ、キャリア生成層１１中に入射する。
　キャリア生成層１１中に入射した光は、キャリア生成層１１においてキャリアを生成するとともに、金属微粒子１４の表面に表面プラズモンを励起する。金属微粒子１４の表面に励起された表面プラズモンは、電場増強効果によって、キャリア生成層１１中に入射した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キャリア生成層１１内にキャリアが生成される。
　キャリア生成層１１内に生成されたキャリアによって蛍光が生じ、その蛍光はプラズモン励起層１２中の自由電子とプラズモン結合を起し、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面に表面プラズモンを励起する。この励起された表面プラズモンは、波数ベクトル変換層１３で回折されて、光源装置１００の外部に出射される。
　プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面の誘電率が空間的に均一、つまり平坦な面である場合には、この界面に生じた表面プラズモンを取り出すことはできない。このため、本発明では、波数ベクトル変換層１３を周期構造などとすることで、表面プラズモンを回折し、光として取り出している。波数ベクトル変換層１３の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。
　ここで、波数ベクトル変換層１３を周期構造とした場合、波数ベクトル変換層１３から出射する光の中心出射角θradは、波数ベクトル変換層１３の周期構造のピッチをΛ、プラズモン励起層１２の波数ベクトル変換層側における表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分をｋｓｐｐｏｕｔ、周囲媒質の誘電率をεｍ、波数ベクトル変換層１３から出射する光の真空中での波長をｋ０、とすれば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
で表わされる。ここで、iは正または負の整数である。
　以上説明したように本実施形態によれば光源装置１００は、発光素子１０１からの光を光学素子１を用いて出射光に変換しているので、高効率化および高輝度化が可能となる。
　（第３の実施形態）
　図７は、第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を示す斜視図である。図７に示すように、第３の実施形態における指向性制御層２２Ａ、導光体２１の上に、キャリア生成層１１、誘電体層３１、プラズモン励起層１２、波数ベクトル変換層１３の順に積層されている。したがって、第３の実施形態では、キャリア生成層１１とプラズモン励起層１２との間に、誘電体層３１が挿入されている点が第２の実施形態と異なっている。
　誘電体層３１は、自身の誘電率がプラズモン励起層１２に対する入射側部分の実効誘電率よりも出射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲に含まれる。したがって、誘電体層３１の誘電率は、プラズモン励起層１２に対する出射側部分の実効誘電率よりも大きい必要はない。
　誘電体層３１は、キャリア生成層１１と異なる材料によって形成されてもよい。このため、本実施形態は、キャリア生成層１１の材料選択の自由度を高めることができる。
　誘電体層３１としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料からなる薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。誘電体層３１は、導電性を有する材料で形成されるのが好ましい。誘電体層３１の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。なお、この厚さの許容最大値は、キャリア生成層１１とプラズモン励起層１２との間でプラズモン結合が生じる距離に相当し、式（４）より算出される。
　なお、指向性制御層２２Ａにおいても、プラズモン励起層１２でプラズモン結合を生じさせるために、導光体２１、キャリア生成層１１及び誘電体層３１を含む入射側部分の実効誘電率は、波数ベクトル変換層１３と、波数ベクトル変換層１３に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高く設定されている。
　プラズモン励起層１２、波数ベクトル変換層１３との間に、図示しない誘電体層が挿入されていてもよい。ただし、この誘電体層は、自身の誘電率がプラズモン励起層１２に対する入射側部分の実効誘電率よりも出射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲に含まれる。したがって、誘電体層３１の誘電率は、プラズモン励起層１２に対する入射側部分の実効誘電率よりも小さい必要はない。誘電体層としては、ＳｉＯ２ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、低誘電率プラスチック等の薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。
　以上のように構成された第３の実施形態における指向性制御層２２Ａによれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、独立した誘電体層３１を備えることで、プラズモン励起層１２の入射側部分の実効誘電率の調整を容易にすることが可能になる。
　（第４の実施形態）
　図８は、第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を示す斜視図である。図８に示すように、第４の実施形態における指向性制御層２２Ｂは、図６で示した指向性制御層２２の構成に加えて、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との間に挟まれた誘電体層３２と、キャリア生成層１１とプラズモン励起層１２との間に挟まれて設けられた誘電体層３３とをさらに有する。ここで、誘電体層３３の誘電率は、誘電体層３２の誘電率より低い方が望ましい。
　ただし、誘電体層３２、誘電体層３３は、自身の誘電率がプラズモン励起層１２に対する出射側部分の実効誘電率よりも入射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲に含まれる。したがって、誘電体層３２の誘電率は、プラズモン励起層１２に対する入射側部分の実効誘電率よりも大きい必要はなく、誘電体層３３の誘電率は、プラズモン励起層１２に対する出射側部分の実効誘電率よりも小さい必要はない。
　この場合、プラズモン励起層１２における蛍光体層１１と接する面の反対側の面には、光が発生し、プラズモン励起層１２の蛍光体層１１側の面に表面プラズモンが発生する。
　また、誘電体層３２及び誘電体層３３の誘電率の虚部は、可能な限り小さい方が好ましい。これは、プラズモン結合させ易くし、光損失を低減することができるためである。
　誘電体層３３としては、例えば、ＳｉＯ２ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、低誘電率プラスチック等の薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。また、誘電体層３２としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料を用いるのが好ましい。
　上記のように、誘電体層３２および３３を設けることで、プラズモン励起層１２の出射側の実効誘電率は、入射側の実効誘電率より高くなる。この場合、キャリア生成層１１で発生した蛍光はプラズモン励起層１２中の電子とプラズモン結合を起こし、プラズモン励起層１２の誘電体層３２側では光に変換されて出射する。出射した光は波数ベクトル変換層で回折されて、外部に取り出される。ここで、波数ベクトル変換層１３を周期構造とした場合、波数ベクトル変換層１３から出射する光の中心出射角θｒａｄは、第１の実施形態と同様に、波数ベクトル変換層１３の周期構造のピッチをΛ、プラズモン励起層１２のキャリア生成層１１側における表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分をｋｓｐｐｉｎ、周囲媒質の誘電率をεｍ、波数ベクトル変換層１３から出射する光の真空中での波長をｋ０、とすれば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
で表わされる。ここで、iは正または負の整数である。
　なお、プラズモン励起層１２に対する出射側部分の実効誘電率よりも入射側部分の実効誘電率が低く保たれれば、誘電体層３２および３３のいずれか一方または両方を除いた構成であっても動作する。
　以上説明したように本実施形態の光源装置によれば、波数ベクトル変換層１３へ入射する光の入射角が、プラズモン励起層１２とこのプラズモン励起層８を挟む誘電体層３２および３３の誘電率のみで決定されるので、光源装置からの出射光の指向性が、発光素子１０１の指向性に制限されることがなくなる。
（第５の実施形態）
　図９は、第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を示す斜視図である。図９に示すように、第５の実施形態における指向性制御層２２Ｃは、導光体１２に、キャリア生成層１１とプラズモン励起層４１とが順に積層されている。
　プラズモン励起層４１は、第１の実施形態におけるプラズモン励起層１２と比べて、キャリア生成層１１と接する面の反対側の面に、波数ベクトル変換層１３の機能（つまり、出射部としての機能）を奏する周期構造４２を有する点が異なる。周期構造４２は、１次元または２次元の格子構造（凹凸構造）によって構成されている。
　周期構造４２としては、ｓｉｎ関数や、のこぎり波、三角波および方形波形状等のいずれの周期構造でもよく、それらを階段近似したものでも良い。また、プラズモン励起層４１における周期構造４２を有する面の反対側の面に周期構造があってもよい。
　キャリア生成層１１に光が入射したとき、キャリア生成層１１とプラズモン励起層４１との界面で表面プラズモンが発生する。この表面プラズモンは、プラズモン励起層４１から所定の方向に出射する光として取り出される。
　より具体的には、キャリア生成層１１で生じた蛍光の真空中での角周波数をω、真空中の光速をｃ、プラズモン励起層４１の誘電率をεｍｅｔａｌ、キャリア生成層１１の誘電率をεｓｕｂ、プラズモン励起層４１に接する媒質の誘電率をεｍｅｄｉ、プラズモン励起層４１に接する媒質とプラズモン励起層４１との界面における表面プラズモンの波数をｋｓｐｐ，ｍｅｄｉ、キャリア生成層１１とプラズモン励起層４１との界面における表面プラズモンの波数をｋｓｐｐ，ｓｕｂ、プラズモン励起層４１の周期構造４２のｘ方向の波数ベクトルをＫｘ、ｙ方向の波数ベクトルをＫｙ、（但し、ｘｙ平面が基板２１に平行な面）とすれば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
を満たす角度θの方向に、プラズモン励起層４１から光が出射される。ここで、ｍ、ｎは正または負の整数である。また、光源装置１００からの出射光の光強度は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
を満たすときに最も高くなる。
　なお、プズモン励起層４１に接する媒質とプラズモン励起層４１との界面における表面プラズモンの波数ｋｓｐｐ，ｍｅｄｉと、キャリア生成層１１とプラズモン励起層４１との界面における表面プラズモンの波数をｋｓｐｐ，ｓｕｂは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
で表される。
　なお、本実施形態において、プラズモン励起層４１のキャリア生成層１１側に図示しない周期構造を有してもよい。
　以上説明したように本実施形態によれば、第１～第４の実施形態と同様な効果が得られる。また、本実施形態の指向性制御層では、第１～第４の指向性制御層よりも、層数が少なくなるので、製造工程の削減が可能である。
　（第６の実施形態）
　本実施形態では、光源装置１００を用いた機器の一例としての投射型表示装置の構成例について説明する。図１１は、本実施形態の投写型表示装置を示す模式図である。
　図１１に示すように、実施形態のＬＥＤプロジェクタは、赤（Ｒ）光用光源装置１００ｒ、緑（Ｇ）光用光源装置１００ｇおよび青（Ｂ）光用光源装置１００ｂと、光源装置１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂからの出射光がそれぞれ入射する照明光学系１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂと、照明光学系１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを通過した光が入射する変調素子としてのライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇ、１２１ｂと、を備える。また、投写型表示装置は、ライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇおよび１２１ｂによってそれぞれ変調されて入射されたＲ、Ｇ、Ｂ光を合成するクロスダイクロイックプリズム１２２と、このクロスダイクロイックプリズム１２２からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズ（不図示）を含む投射光学系１２３と、を備えている。
　この投写型表示装置は、いわゆる３板式プロジェクタに適用された構成である。照明光学系１２０ｒ、１２０ｇ、１２０ｂとしては、例えば輝度を均一化するためのロッドレンズ（不図示）を有している。また、ライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇ、１２１ｂは、例えば液晶表示板やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を有している。なお、上述した実施形態の光源装置は、単板式プロジェクタにも適用可能であることは勿論である。
　本実施形態によれば、投写型表示装置に光源装置１００が適用されることで、投射映像の輝度を向上させることができる。
　なお、光源装置１００は投射型表示装置以外の機器にも適用可能であることは勿論である。例えば、光源装置１００は、液晶表示板（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）の直下型光源装置に適用されてもよいし、携帯型電話機やＰＤＡ（Personal Data Assistant）等のバックライトに適用されてもよい。さらに光源装置１００は、種々のセンシング装置の光源装置に適用されてもよい。
　（実施例１）
　本実施例では、光学素子１における入射光の吸収効率について評価する。以下では、キャリア生成層１１に入射される入射光の波長を４０５ｎｍ、波長４０５ｎｍにおける蛍光体の誘電率の虚部を０．２、金属微粒子１４の充填率を５０％としている。また、吸収効率は、金属微粒子１４が存在しないときの値からの倍率で示す。なお、金属微粒子１４の充填率とは、キャリア生成層１１の全体積に占める金属微粒子１４の割合である。
　金属微粒子１４がアルミニウム（Ａｌ）で形成されている場合、光学素子１のパラメータ（具体的には、金属微粒子１４の半径ａとキャリア生成層１１の比誘電率εｐｈｏｓｐｈｏｒ）と、金属微粒子１４に励起される表面プラズモンのプラズモン共鳴波長との関係は、図１２で示す等高線図のようになる。また、光学素子１のパラメータと吸収効率との関係は、図１３で示す等高線図のようになる。この場合、例えば、半径ａを１４ｎｍとし、比誘電率εｐｈｏｓｐｈｏｒを４とすると、吸収効率は１１倍となる。このとき、キャリア生成層１１の入射面から入射光の強度が１／ｅとなる位置までの距離である吸収長は４５ｎｍとなる。また、キャリア生成層１１の厚さは、入射光の１／ｅの光を吸収する厚さに設定すると、２２．５ｎｍとなる。
　また、金属微粒子１４が銀（Ａｇ）で形成されている場合、光学素子１のパラメータとプラズモン共鳴波長との関係は、図１４で示す等高線図のようになり、光学素子１のパラメータと吸収効率との関係は、図１５で示す等高線図のようになる。この場合、例えば、半径ａを１１ｎｍとし、比誘電率εｐｈｏｓｐｈｏｒを４とすると、吸収効率は１４倍となる。このとき、吸収長は３５ｎｍとなる。また、キャリア生成層１１の厚さは、入射光の１／ｅの光を吸収する厚さに設定すると、１７．５ｎｍとなる。
　また、金属微粒子１４が金（Ａｕ）で形成されている場合、光学素子１のパラメータとプラズモン共鳴波長との関係は、図１６で示す等高線図のようになり、光学素子１のパラメータと吸収効率との関係は、図１７で示す等高線図のようになる。この場合、例えば、半径ａを１１ｎｍとし、比誘電率εｐｈｏｓｐｈｏｒを４とすると、吸収効率は５倍となる。このとき、吸収長は７６ｎｍとなる。また、キャリア生成層１１の厚さは、入射光の１／ｅの光を吸収する厚さに設定すると、３８ｎｍとなる。
　以上のように、半径が１０ｎｍ以上の比較的大きな金属微粒子１４であっても、吸収効率が５倍程度以上になることが分かる。また、キャリア生成層１１の厚さを数十ｎｍ程度に薄くした場合でも、入射光の１／ｅ以上の光を吸収することができるため、高効率かつ高輝度なプラズモン結合放射素子を実現できる。
　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。
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されたものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
　この出願は、２０１０年１０月１５日に出願された日本出願特願２０１０－２３２８２５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。

Claims (13)

  1. 　入射光によって蛍光を生じる蛍光体層と、前記蛍光によって第１の表面プラズモンを励起するプラズモン励起層とが順に積層され、該プラズモン励起層における前記蛍光体層と接する面の反対側の面に発生する前記第１の表面プラズモンまたは光を外部に出射光として取り出すための出射部とを有する光学素子であって、
    　前記蛍光体層は、前記入射光によって第２の表面プラズモンを励起する金属微粒子を有する、光学素子。
  2. 　請求項１に記載の光学素子において、
    　前記蛍光体層の中心より前記プラズモン励起層側の領域における前記金属微粒子の濃度は、前記蛍光体層の中心より前記プラズモン励起層の反対側の領域における前記金属微粒子の濃度よりも高い、光学素子。
  3. 　請求項２に記載の光学素子において、
    　前記金属微粒子は、前記蛍光体層の中心より前記プラズモン励起層側の領域のみに散布されている、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、
    　前記蛍光体層と前記プラズモン励起層との間および前記射出部と前記プラズモン励起層との間の何れか一方または両方に、誘電体層が形成されている、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、
    　前記プラズモン励起層の前記蛍光体層側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記射出部側に積層された構造全体と、前記射出部に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高い、光学素子。
  6. 　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、
    　前記プラズモン励起層の前記蛍光体層側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記射出部側に積層された構造全体と、前記射出部に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低い、光学素子。
  7. 　請求項５または６に記載の光学素子において、
    　前記実効誘電率は、複素実効誘電率εeffであって、前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をｘ軸およびｙ軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をｚ軸とし、前記入射側部分および前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε（ｘ，ｙ，ｚ）、積分範囲Ｄを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、前記第１の表面プラズモンの波数のｚ成分をｋspp,zとすれば、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     を満たし、
    　前記第１の表面プラズモンの波数のｚ成分ｋspp,z、および、前記第１の表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ｋsppは、前記プラズモン励起層の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003

    を満す、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において、
    　前記出射部は、前記プラズモン励起層に積層された、前記プラズモン励起層における前記蛍光体層と接する面の反対側の面に発生する第２の表面プラズモンまたは光の波数ベクトルを変換する波数ベクトル変換層である、光学素子。
  9. 　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、
    　前記出射部は、前記プラズモン励起層に設けられた周期構造である、光学素子。
  10. 　請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　発光素子からの光を伝播して前記蛍光体層に入射する導光体をさらに有し、
    　前記蛍光体層は、前記導光体に積層されている、光学素子。
  11. 　請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記金属微粒子は、金、銀、アルミニウム、または、これらのいずれかを含む合金で形成される、光学素子。
  12. 　請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記光学素子に光を入射する発光素子と、を有する光源装置。
  13. 　請求項１２に記載の光源装置と、
    　前記光源装置からの光を変調して出射する変調素子と、
    　前記変調素子からの光を投射して映像を表示する投射光学系と、を有する投射型表示装置。
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