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WO2014020955A1 - 光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法 - Google Patents

光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法 Download PDF

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WO2014020955A1
WO2014020955A1 PCT/JP2013/061781 JP2013061781W WO2014020955A1 WO 2014020955 A1 WO2014020955 A1 WO 2014020955A1 JP 2013061781 W JP2013061781 W JP 2013061781W WO 2014020955 A1 WO2014020955 A1 WO 2014020955A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
layer
optical element
optical
plasmon
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2013/061781
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
昌尚 棗田
雅雄 今井
慎 冨永
鈴木　尚文
瑞穂 冨山
友嗣 大野
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
Priority to JP2014528021A priority Critical patent/JPWO2014020955A1/ja
Publication of WO2014020955A1 publication Critical patent/WO2014020955A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources
    • G03B21/204—LED or laser light sources using secondary light emission, e.g. luminescence or fluorescence
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/872—Periodic patterns for optical field-shaping, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • An image display device such as a projector includes, for example, a light source device having a light emitting element, an illumination optical system into which light from the light source device is incident, and a light valve having a liquid crystal display plate into which light from the illumination optical system is incident And a projection optical system for projecting light from the light valve onto the projection surface.
  • the image display device is required to prevent light loss as much as possible in the optical path from the light source device to the light valve in order to increase the brightness of the projected image.
  • Patent Documents 1 and 2 As a method of obtaining low etendue light, there is a method of applying highly directional radiation caused by the interaction between excitons in a light emitter and surface plasmons (Patent Documents 1 and 2).
  • Such optical elements and light emitting elements emit light on the following principle.
  • excitons are generated in the light emitting layer by the excitation light irradiated from the light emitting element being absorbed by the light emitting layer.
  • This exciton couples with free electrons in the plasmon excitation layer to excite surface plasmons. Then, the excited surface plasmon is emitted as light.
  • An object of the present invention is to provide an optical element, an illuminating device, an image display device, and an optical element operating method that radiate light having high directivity and high linear polarization with high efficiency.
  • an optical element of the present invention includes a plasmon excitation layer capable of exciting surface plasmons, and light generated on the upper surface of the plasmon excitation layer and disposed on the plasmon excitation layer.
  • an output layer that converts surface plasmons into light having a predetermined output angle and outputs the light and further includes an optical anisotropic layer between the plasmon excitation layer and the output layer,
  • the isotropic layer is an optical element having at least one optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers.
  • the illuminating device of the present invention includes the optical element of the present invention, a light projection unit, and a projection optical system.
  • Light enters the light projection unit from the optical element, and light is emitted from the light projection unit.
  • the projection optical system is an illumination device that projects a projected image by light emitted from the light projection unit.
  • the image display device of the present invention includes the optical element of the present invention and an image display unit, and light is incident on the image display unit from the optical element, and light is emitted from the image display unit, whereby an image is displayed. Can be displayed.
  • the optical element operating method of the present invention is the optical element of the present invention, wherein the light or surface plasmon generated on the upper surface of the plasmon excitation layer is more linear than the light or surface plasmon by the optical anisotropic layer.
  • the light or surface plasmon having a high degree of polarization is converted into light or surface plasmon, and the light or surface plasmon having a high degree of linear polarization is converted into light having a predetermined emission angle by the emission layer and emitted.
  • an optical element an illuminating device, an image display device, and an optical element operating method that emit light with high directivity and high linear polarization with high efficiency.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an example (Embodiment 1) of an optical element of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an example of the arrangement of light emitting elements with respect to an example of the optical element of the present invention (Embodiment 1).
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the definition of coordinates in the optically anisotropic layer with respect to an example (Embodiment 1) of the optical element of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing rise angle dependency of linear polarization conversion efficiency with respect to an example of the optical element of the present invention (Embodiment 1).
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an example (Embodiment 1) of an optical element of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an example of the arrangement of light emitting elements with respect to an example of the optical element of the present invention (Embodiment 1).
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the definition of coordinate
  • FIG. 5 is a diagram showing the rising angle dependence of the optimum light emission angle with respect to an example (Embodiment 1) of the optical element of the present invention.
  • FIG. 6A shows the optically anisotropic layer thickness of the linearly polarized light conversion efficiency when the thickness of the optically anisotropic layer is 0 to 500 ⁇ m with respect to an example of the optical element of the present invention (Embodiment 1). It is a figure which shows thickness dependence.
  • FIG. 6B shows the optically anisotropic layer thickness of the linear polarization conversion efficiency when the thickness of the optically anisotropic layer is 500 to 650 nm with respect to an example of the optical element of the present invention (Embodiment 1). It is a figure which shows thickness dependence.
  • FIG. 6A shows the optically anisotropic layer thickness of the linearly polarized light conversion efficiency when the thickness of the optically anisotropic layer is 0 to 500 ⁇ m with respect to an example of the optical element of the present invention (Embo
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the extraordinary light refractive index dependency of linear polarization conversion efficiency with respect to an example of the optical element of the present invention (Embodiment 1).
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing the configuration of an example (Embodiment 2) of the optical element of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the incident angle dependence of the reflectance when light is incident on the plasmon excitation layer from the wave vector conversion layer side with respect to an example of the optical element of the present invention (Embodiment 2).
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing the configuration of an example (Embodiment 3) of the optical element of the present invention.
  • FIG. 11A is a schematic perspective view schematically showing a configuration of an example (embodiment 4) of the image display device (projector) of the present invention.
  • FIG. 11B is a top view schematically showing the configuration of an example (Embodiment 4) of the image display apparatus (projector) of the present invention.
  • the optical element of this embodiment is an example of an optical element having a dielectric layer.
  • the configuration of the optical element of this embodiment is shown in the perspective view of FIG.
  • the optical element 10 of the present embodiment includes a light emitting layer 102, a dielectric layer 103 laminated on the light emitting layer 102, a plasmon excitation layer 104 laminated on the dielectric layer 103, Optical anisotropic layer 105 laminated on plasmon excitation layer 104, dielectric layer 106 laminated on optical anisotropic layer 105, and wave vector conversion layer (outgoing layer) laminated on dielectric layer 106 107).
  • the emission side portion includes the entire structure laminated on the wave vector conversion layer 107 side of the plasmon excitation layer 104 and a medium in contact with the wave vector conversion layer 107.
  • the entire structure includes an optically anisotropic layer 105, a dielectric layer 106, and a wave vector conversion layer 107.
  • the dielectric layer 103 and the dielectric layer 106 are not essential components in the present invention. However, in the structure excluding the dielectric layer 103 and the dielectric layer 106, the real part of the effective dielectric constant with respect to the surface plasmon of the incident side portion is greater than or equal to the real part of the effective dielectric constant with respect to the surface plasmon of the emission side portion.
  • the effective dielectric constant for the surface plasmon is determined based on the dielectric constant distribution of the incident side portion or the emission side portion and the distribution of the surface plasmon in the direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer 104.
  • the effective dielectric constant ( ⁇ eff, spp ) for the surface plasmon is such that the direction parallel to the interface of the plasmon excitation layer 104 is the x-axis and y-axis, and the direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer 104 (on the surface of the plasmon excitation layer 104).
  • the z axis is the direction perpendicular to the average plane), and when the light emitting layer 102 is excited with excitation light, the angular frequency of the light emitted from the light emitting layer 102 is ⁇ , and plasmon excitation
  • the dielectric constant distribution of the dielectric in the incident side portion or the emission side portion with respect to the layer 104 is ⁇ ( ⁇ , x, y, z), the z component of the wave number of the surface plasmon is k spp, z , and Im [] is []. If the symbol indicating the imaginary part of the numerical value in
  • 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 104.
  • the ranges in the x-axis and y-axis directions in the integration range D are ranges that do not include the medium up to the outer peripheral surface of the entire structure of the incident side portion or the outer peripheral surface of the entire structure of the output side portion, This is the range up to the outer edge in the plane parallel to the surface of the plasmon excitation layer 104 on the wave vector conversion layer 107 side.
  • 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.
  • the range of the plasmon excitation layer 104 from the interface to the infinity of the plasmon excitation layer 104 on the dielectric layer 103 or the dielectric layer 106 side, and the direction away from these interfaces is the position in the above formula (1). (+) Z direction.
  • the effective dielectric constant can be obtained from the equation (1).
  • 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 104, and the wave number of light in vacuum if a and k 0, represented by the following formula (2) and (3).
  • the effective dielectric constant ⁇ eff, spp for the surface plasmon may be calculated using an equation represented by the following equation (4), equation (5), or equation (6).
  • the integral range includes a material whose real part of the refractive index is less than 1, the calculation diverges. Therefore, it is preferable to use the formula (1) or the formula (4), and use the formula (1). Is particularly desirable.
  • the integration range does not include a material whose real part of the refractive index is less than 1, it is desirable to use the equation (5).
  • the dielectric constant distribution ⁇ in ( in the incident side portion of the plasmon excitation layer 104 is expressed as ⁇ ( ⁇ , x, y, z) using the equations (1), (2), and (3).
  • ⁇ , x, y, z) and the permittivity distribution ⁇ out ( ⁇ , x, y, z) of the emission side portion of the plasmon excitation layer 104 are respectively substituted and calculated, whereby the plasmon excitation layer 104
  • An effective dielectric constant ⁇ eff, spp, in for the surface plasmon of the incident side portion and an effective dielectric constant ⁇ eff, spp, out for the surface plasmon of the emission side portion are respectively obtained.
  • the dielectric constant ⁇ eff, spp can be easily obtained.
  • the z component k spp, z of the wave number of the surface plasmon represented by the above equation (2) is a real number. This corresponds to the absence of surface plasmons at the interface.
  • the dielectric constant of the layer in contact with the plasmon excitation layer 104 corresponds to the effective dielectric constant for the surface plasmon in this case.
  • the effective dielectric constant for the surface plasmon in the embodiment described later is also defined in the same manner as the above formula (1). The above description applies to equations (4), (5), (6), and (7) as well.
  • the radiation angle ⁇ out, spp when the surface plasmon mode radiates from the interface of the optically anisotropic layer 105 / dielectric layer 106 to the dielectric layer 106 is expressed by the following formula (where n out is the refractive index of the dielectric layer 106): 9).
  • the light emission resulting from the surface plasmon mode is p-polarized in principle, and has a very high directivity as represented by equation (9).
  • the inventors of the present invention focused on this remarkable optical specificity, and as a result of intensive research, the optical axis of the optically anisotropic medium (the independent refractive index of the three orthogonal directions of the optically anisotropic medium). By tilting the direction (with the refractive index having the greatest difference between them) from the direction perpendicular to the plasmon excitation layer, light with a high degree of linear polarization can be obtained from an element that emits axisymmetrically polarized light. I found out. This finding was first discovered by the present inventors.
  • the axially symmetric polarized light is linearly polarized by the optically anisotropic layer 105.
  • the optical anisotropy When light is incident on the optical anisotropy, the light is separated into extraordinary light and ordinary light. Since abnormal light and ordinary light have different phase velocities, the light transmitted through the optical anisotropic layer 105 is given a phase difference, and as a result, the polarization of the emitted light is rotated.
  • the projection of polarized light on the optical axis needs to have a component perpendicular to the component parallel to the optical axis.
  • the thickness of the optically anisotropic layer 105 is set to a thickness that increases the linear polarization degree. Since the directional layer 105 functions as a half-wave plate having azimuth angle dependency, highly directional axially symmetric polarized light transmitted through the optical anisotropic layer 105 is converted into light having a high degree of linear polarization.
  • the optically anisotropic layer may be a layer having uniaxial optical anisotropy.
  • the optically anisotropic layer has biaxial optical anisotropy and the optically anisotropic layer has two It is preferable that at least one of the optical axes is inclined with respect to the stacking direction of the layers. Further, among the main axes of the optically anisotropic layer, the direction of the main axis having the largest difference in the main refractive index with respect to the other main axes is the direction of the optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers. More preferred.
  • principal axis refers to an axis constituting a coordinate system that diagonalizes the dielectric constant tensor
  • principal index refers to a refractive index associated with the principal axis.
  • the light emitting elements 201a and 201b emit light having a wavelength that can be absorbed by the light emitting layer 102 (excitation light). Specifically, a light emitting diode (LED), a laser diode, a super luminescent diode, etc. are mentioned, for example.
  • the light emitting elements 201 a and 201 b may be arranged in any manner with respect to the optical element 10 as long as excitation light passes through the light emitting layer 102 and is emitted to the dielectric layer 103.
  • the light emitting layer 102 is a layer that absorbs the excitation light to generate excitons.
  • the light emitting layer 102 includes, for example, a light emitter.
  • the light emitting layer 102 may be composed of, for example, a plurality of materials that generate light having a plurality of wavelengths having the same or different emission wavelengths.
  • the thickness in particular of the light emitting layer 102 is not restrict
  • the light emitting layer 102 is, for example, a layer in which the light emitter is dispersed in a light transmissive member.
  • the shape of the light emitter is, for example, a particulate shape.
  • the phosphor include organic phosphors, inorganic phosphors, and semiconductor phosphors. From the viewpoint of the absorption efficiency and the light emission efficiency of the excitation light, the light emitter is preferably a semiconductor phosphor.
  • Examples of the organic phosphor include rhodamine (Rhodamine 6G) and sulforhodamine 101.
  • the inorganic phosphor includes yttrium, aluminum, garnet, Y 2 O 2 S: Eu, La 2 O 2 S: Eu, BaMgAlxOy: Eu, BaMgAlxOy: Mn, (Sr, Ca, Ba) 5 (PO 4 ) 3 : Cl: Eu and the like.
  • the semiconductor phosphor examples include a core / shell structure, a multi-core shell structure, and an organic compound bonded to the surface thereof.
  • the semiconductor phosphor having the multi-core shell structure is, for example, a core / shell / shell / semiconductor phosphor having a core / shell structure in which a shell portion made of another material is provided outside the shell portion.
  • Semiconductor phosphors are examples.
  • the material for forming the core is, for example, a semiconductor such as a group IV semiconductor, a group IV-IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, a group I-VIII compound semiconductor, a group IV-VI compound semiconductor, etc.
  • the core portion may be formed of, for example, a semiconductor material such as a single semiconductor in which mixed crystals are composed of one element, a binary compound semiconductor composed of two elements, or a mixed crystal semiconductor composed of three or more elements. But you can.
  • the core part is preferably made of a direct transition semiconductor material.
  • the semiconductor material constituting the core part preferably emits visible light.
  • the forming material is preferably a group III-V compound semiconductor material having a strong atomic bonding force and high chemical stability.
  • the core part is preferably made of the mixed crystal semiconductor material.
  • the core portion is preferably made of a semiconductor material made of a mixed crystal of four or less elements.
  • Examples of the binary compound semiconductor material that can constitute the core part include InP, InN, InAs, GaAs, CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, and CuCl.
  • InP and InN are preferable from the viewpoint of environmental load and the like.
  • CdSe and CdTe are preferable.
  • Examples of the ternary mixed crystal semiconductor material that can constitute the core part include InGaP, AlInP, InGaN, AlInN, ZnCdSe, ZnCdTe, PbSSe, PbSTe, and PbSeTe.
  • InGaP and InGaN are preferable from the viewpoint of manufacturing a semiconductor phosphor which is a material harmonized with the environment and hardly affected by the outside world.
  • the material of the shell portion examples include semiconductor materials such as a group IV semiconductor, a group IV-IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, a group I-VIII compound semiconductor, and a group IV-VI compound semiconductor. Can be given. Further, the material for forming the shell portion is, for example, a semiconductor material such as a single semiconductor in which mixed crystals are composed of one element, a binary compound semiconductor composed of two elements, or a mixed crystal semiconductor composed of three or more elements. But you can. From the viewpoint of improving luminous efficiency, it is preferable that the material for forming the shell portion is a semiconductor material having a higher band gap energy than the material for forming the core portion.
  • the shell part is preferably formed of a group III-V compound semiconductor material having high atomic bonding strength and high chemical stability.
  • the shell portion is preferably made of a semiconductor material made of a mixed crystal of four or less elements.
  • Examples of the binary compound semiconductor material that can constitute the shell portion include AlP, GaP, AlN, GaN, AlAs, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CuCl, and SiC.
  • AlP, GaP, AlN, GaN, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CuCl, and SiC are preferable from the viewpoint of environmental load and the like.
  • Examples of the ternary mixed crystal semiconductor material that can constitute the shell portion include AlGaN, GaInN, ZnOS, ZnOSe, ZnOTe, ZnSSe, ZnSTe, and ZnSeTe.
  • AlGaN, GaInN, ZnOS, ZnOTe, and ZnSTe are preferable from the viewpoint of manufacturing a semiconductor phosphor that is a material harmonized with the environment and hardly affected by the outside world.
  • the organic compound bonded to the surface of the semiconductor phosphor is preferably, for example, an organic compound composed of a bonding portion between an alkyl group that is a functional portion and the core portion or the shell portion.
  • organic compound composed of a bonding portion between an alkyl group that is a functional portion and the core portion or the shell portion.
  • Specific examples include amine compounds, phosphine compounds, phosphine oxide compounds, thiol compounds, and fatty acids.
  • phosphine compound examples include tributylphosphine, trihexylphosphine, and trioctylphosphine.
  • Examples of the phosphine oxide compound include 1-dichlorophosphinorheptane, 1-dichlorophosphinornonane, t-butylphosphonic acid, tetradecylphosphonic acid, dodecyldimethylphosphine oxide, dioctylphosphine oxide, didecylphosphine oxide, tributyl.
  • Examples thereof include phosphine oxide, tripentyl phosphine oxide, trihexyl phosphine oxide, and trioctyl phosphine oxide.
  • thiol compound examples include tributyl sulfide, trihexyl sulfide, trioctyl sulfide, 1-heptyl thiol, 1-octyl thiol, 1-nonane thiol, 1-decane thiol, 1-undecane thiol, 1-dodecane thiol, 1- Examples include tridecanethiol, 1-tetradecanethiol, 1-pentadecanethiol, 1-hexadecanethiol, 1-octadecanethiol, dihexyl sulfide, diheptyl sulfide, dioctyl sulfide, dinonyl sulfide and the like.
  • Examples of the amine compound include heptylamine, octylamine, nonylamine, decylamine, undecylamine, dodecylamine, tridecylamine, tetradecylamine, hexadecylamine, octadecylamine, oleylamine, dioctylamine, tributylamine, and tripentylamine. , Trihexylamine, triheptylamine, trioctylamine, trinonylamine and the like.
  • fatty acid examples include lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, and oleic acid.
  • the particle diameters of the semiconductor phosphors are uniform, and for applications that require high color rendering properties of light emission, the particle diameters of the semiconductor phosphors are uniform. Preferably not. This is because the wavelength of light emitted from the semiconductor phosphor (emission wavelength, hereinafter the same applies) depends on the particle diameter of the semiconductor phosphor.
  • the light transmissive member is for sealing the light emitting layer 102 in a state where the light emitters are dispersedly arranged.
  • the light transmitting member emits excitation light incident on the light emitting layer 102 and light emitted from the light emitter. Those that do not absorb are preferred.
  • the light transmissive member is preferably made of a material that does not transmit moisture, oxygen, or the like. With this configuration, for example, the light transmitting member can prevent moisture, oxygen, and the like from entering the light emitting layer 102, and the light emitter can be less affected by moisture, oxygen, and the like. For this reason, the durability of the luminous body can be improved.
  • Examples of the material for forming the light transmissive member include light transmissive resin materials such as silicone resin, epoxy resin, acrylic resin, fluorine resin, polycarbonate resin, polyimide resin, and urea resin; light such as aluminum oxide, silicon oxide, and yttria. Examples thereof include permeable inorganic materials.
  • the light emitting layer 102 may include, for example, metal particles.
  • the metal particles excite surface plasmons on the surface of the metal particles by interaction with the excitation light, and induce an enhanced electric field in the vicinity of the surface near 100 times the electric field intensity of the excitation light. With this enhanced electric field, excitons generated in the light emitting layer 102 can be increased, and for example, the use efficiency of the excitation light in the optical element 10 can be improved.
  • the metal constituting the metal particles examples 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.
  • the metal is preferably gold, silver, copper, platinum, aluminum, or an alloy containing these as the main component, and gold, silver, aluminum, or an alloy containing these as the main component is particularly preferable.
  • the metal particles include, for example, a core-shell structure in which metal species are different in the peripheral part and the central part; a hemispherical union structure in which two metal hemispheres are combined; a cluster-in-cluster structure in which different clusters are aggregated to form particles Or the like.
  • the resonance wavelength can be controlled without changing the size, shape, etc. of the metal particles.
  • the shape of the metal particles may be a shape having a closed surface, and examples thereof include a rectangular parallelepiped, a cube, an ellipsoid, a sphere, a triangular pyramid, and a triangular prism.
  • the metal particles include those obtained by processing a metal thin film into a structure including a closed surface having a side of less than 10 ⁇ m by fine processing typified by semiconductor lithography technology.
  • the size of the metal particles is, for example, in the range of 1 to 100 nm, preferably in the range of 5 to 70 nm, and more preferably in the range of 10 to 50 nm.
  • the plasmon excitation layer 104 is made of a forming material having a plasma frequency higher than the frequency of light generated in the light-emitting layer 102 when the light-emitting layer 102 alone is excited with excitation light (hereinafter sometimes referred to as “light-emitting frequency”).
  • optical anisotropic A part of the dielectric layer having the property may be disposed.
  • the dielectric layer has optical anisotropy having a different dielectric constant depending on a direction perpendicular to the stacking direction of the constituent elements of the optical element 10, in other words, a direction parallel to the interface between the layers. That is, the dielectric layer has a dielectric constant relationship between a certain direction and a direction perpendicular to the direction perpendicular to the stacking direction of the components of the optical element 10. Due to this dielectric layer, the effective dielectric constant of the incident side portion differs between a certain direction and a direction perpendicular thereto in a plane perpendicular to the stacking direction of the components of the optical element 10.
  • the real part of the effective dielectric constant of the incident side portion is set so high that plasmon coupling does not occur in a certain direction and low enough that plasmon coupling occurs in a direction orthogonal thereto, for example, in the wave vector conversion layer 107
  • the incident angle and polarization of incident light can be further limited. For this reason, for example, the light extraction efficiency by the wave vector conversion layer 107 can be further improved.
  • the excitons generated in the light emitting layer 102 are plasmons.
  • Surface plasmons are excited in the excitation layer 104.
  • the excitons do not excite surface plasmons. That is, the effective dielectric constant that is high enough not to cause the plasmon coupling described above is that the sum of the real part of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 104 and the real part of the effective dielectric constant of the incident side part is positive.
  • the effective dielectric constant that is low enough to generate plasmon coupling is such that the sum of the real part of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 104 and the real part of the effective dielectric constant of the incident side part is negative or zero.
  • the efficiency with which the excitons generated in the light emitting layer 102 are coupled to the surface plasmon is a condition in which the sum of the real part of the effective dielectric constant of the incident side portion and the real part of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 104 is zero. .
  • the condition that the sum of the real part of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 104 and the minimum value of the real part of the effective dielectric constant of the incident side part is 0 is most preferable in terms of enhancing the directivity with respect to the azimuth.
  • the directivity with respect to the azimuth angle is excessively increased, light emission transmitted through the plasmon excitation layer 104 is decreased, and heat generation in the plasmon excitation layer 104 is caused accordingly. For this reason, in practice, it is preferable not to increase the directivity of the azimuth angle too much.
  • the azimuth angle of 315 degrees to Highly directional radiation is obtained in the range of 45 degrees and 135 degrees to 225 degrees. For this reason, for example, it is possible to achieve both improvement in directivity with respect to the azimuth and suppression of emission reduction.
  • the constituent material of the dielectric layer having optical anisotropy include anisotropic crystals such as TiO 2 , YVO 4 , and Ta 2 O 5 , oriented organic molecules, and the like.
  • Examples of the dielectric layer having optical anisotropy due to the structure include a dielectric obliquely deposited film and an obliquely sputtered film. Any material can be used for the dielectric layer having optical anisotropy due to its structure.
  • the constituent material of the plasmon excitation layer 104 is, for example, gold, silver, copper, platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, aluminum Or alloys thereof.
  • the constituent material is preferably gold, silver, copper, platinum, aluminum, and a mixture with a dielectric containing these as a main component, and gold, silver, aluminum, and a dielectric containing these as a main component. A mixture with is particularly preferred.
  • the thickness of the plasmon excitation layer 104 is not particularly limited and is preferably 100 nm or less, and particularly preferably about 20 to 40 nm.
  • the surface of the plasmon excitation layer 104 on the light emitting layer 102 side is preferably flat. This is to suppress scattering of the surface plasmon mode and the waveguide mode.
  • the dielectric layer 103 is a layer containing a dielectric and is preferably made of a material that does not absorb the emission wavelength. Specifically, for example, SiO 2 nanorod array film; thin film or porous film such as SiO 2 , AlF 3 , MgF 2 , Na 3 AlF 6 , NaF, LiF, CaF 2 , BaF 2 , low dielectric constant plastic, etc. , 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, high dielectric constant material such as Nb 2 O 5 Is given.
  • the thickness of the dielectric layer 103 is preferably 10 nm or more and less than 100 nm, more preferably 20 nm or more and less than 50 nm.
  • the dielectric layer 106 is a layer containing a dielectric, and is preferably made of a material having a large refractive index with respect to the emission wavelength and no absorption with respect to the emission wavelength. Specifically, 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 O 5 And high dielectric constant materials.
  • the thickness of the dielectric layer 106 is not particularly limited.
  • the wave vector conversion layer 107 is an emission unit that emits light emitted from the interface between the plasmon excitation layer 104 and the dielectric layer 106 from the optical element 10 by converting the wave vector.
  • the wave vector conversion layer 107 has a function of emitting the emitted light from the optical element 10 in a direction substantially orthogonal to the interface between the plasmon excitation layer 104 and the dielectric layer 106.
  • the shape of the wave vector conversion layer 107 is, for example, a surface relief grating; a periodic structure typified by a photonic crystal, or a quasi-periodic structure; a texture structure whose size is larger than the wavelength of light emitted from the optical element 10 (for example, a rough structure) Surface structure constituted by surfaces); hologram; microlens array and the like.
  • the quasi-periodic structure indicates, for example, an incomplete periodic structure in which a part of the periodic structure is missing.
  • the shape is preferably a periodic structure typified by a photonic crystal or a quasi-periodic structure; a microlens array or the like.
  • the photonic crystal preferably has a triangular lattice structure.
  • the wave vector conversion layer 107 may have a structure in which a convex portion is provided on a flat base, for example.
  • the distance from the surface of the plasmon excitation layer 104 on the light emitting layer 102 side to the surface of the light emitting layer 102 on the plasmon excitation layer 104 side is set to be shorter than the effective interaction distance d eff of the surface plasmon.
  • the region with high coupling efficiency is, for example, from the position where excitons are generated in the light emitting layer 102 (for example, the position where the phosphor in the light emitting layer 102 exists) to the surface of the plasmon excitation layer 104 on the light emitting layer 102 side. It is an area.
  • the region is very narrow, for example, about 200 nm, and is, for example, in the range of 1 to 200 nm or in the range of 10 to 100 nm.
  • the light emitting layer 102 is preferably disposed within the range of 1 to 200 nm from the plasmon excitation layer 104.
  • the light emitting layer 102 is preferably disposed within the range of 10 to 100 nm from the plasmon excitation layer 104.
  • the dielectric layer The thickness of the body layer 103 is 10 nm, and the thickness of the light emitting layer 102 is 90 nm. From the viewpoint of light extraction efficiency, the light emitting layer 102 is preferably as thin as possible. On the other hand, from the viewpoint of light output rating, the light emitting layer 102 is preferably as thick as possible. Therefore, the thickness of the light emitting layer 102 is determined based on, for example, required light extraction efficiency and light output rating.
  • the range of the region varies depending on the dielectric constant of the dielectric layer 103 disposed between the light emitting layer 102 and the plasmon excitation layer 104. What is necessary is just to set the thickness of a dielectric material layer, the thickness of the said light emitting layer, etc. suitably.
  • FIG. 3 shows the definition of coordinates in the optically anisotropic layer 105.
  • the direction parallel to the interface of each layer is the x-axis and y-axis, the perpendicular direction is the z-axis, and the angle formed by the z-axis and the radiation direction of the ordinary light component of the light emitted from the plasmon excitation layer 104 is the emission angle ⁇ i , rising the angle between the optical axis and the xy plane of the optical anisotropic layer angle and theta p.
  • the rising angle of the optical axis is set in a range of 0 ⁇ p ⁇ 90, and the thickness thereof is set so that the amount of linearly polarized light is maximized.
  • the optical anisotropic layer 105 may be composed of either a uniaxial optical anisotropic medium or a biaxial optical anisotropic medium. However, from the viewpoint of efficiency, it is desirable to use a uniaxial optically anisotropic medium. When a biaxial optically anisotropic medium is used, the closer to a uniaxial optically anisotropic medium, the better.
  • the optically anisotropic layer 105 examples include anisotropic crystals such as TiO 2 , YVO 4 , and Ta 2 O 5 , oriented organic molecules, and the like.
  • the optical anisotropic layer 105 is composed of, for example, a dielectric obliquely deposited film, an obliquely sputtered film, or the like. Has been.
  • any constituent material can be used.
  • the optically anisotropic layer 105 is a uniaxial optically anisotropic medium, and p-polarized axially symmetric polarized light is incident from the lower surface of the optically anisotropic layer 105, and the upper surface of the optically anisotropic layer 105.
  • the linearly polarized light conversion efficiency when it reached was calculated.
  • the linear polarization conversion efficiency is an average value of the proportion of polarized light along the x-axis calculated over all azimuth angles with respect to a specific light emission angle ⁇ i .
  • the wavelength of the emitted light was 530 nm
  • the ordinary refractive index of the optically anisotropic layer 105 was 2.67.
  • the maximum value of the linear polarization conversion efficiency when the extraordinary refractive index is 2.98 and the thickness of the optically anisotropic layer and the light exit angle ⁇ i are variables is calculated. It was calculated for each rising angle ⁇ p.
  • the maximum value of the linear polarization conversion efficiency when the extraordinary light refractive index is 2.98 and the thickness of the optical anisotropic layer 105 and the light exit angle ⁇ i are variables. It was calculated for each rising angle theta p light emission angle theta i give.
  • the extraordinary refractive index is 2.98
  • the light exit angle ⁇ i is 60 °
  • the rising angle ⁇ p is 45 °.
  • the dependence of was calculated.
  • the extraordinary refractive index dependence of the linear polarization conversion efficiency was calculated by setting the light exit angle ⁇ i to 30 ° and the rising angle ⁇ p to 65 °.
  • Fig. 4 shows the rising angle dependence of linear polarization conversion efficiency. A linear conversion efficiency of 80% or more was obtained when the rising angle was in the range of 40 ° to 70 °.
  • FIG. 5 shows the rising angle dependency of the optimum light emission angle. There was linearity between the rising angle and the optimum light exit angle. Since a linear conversion efficiency of 80% or more is obtained when the rising angle is in the range of 40 ° to 70 °, the ⁇ i emission angle is preferably 20 ° to 65 °.
  • FIG. 6 shows the dependence of the linear polarization conversion efficiency on the thickness of the optically anisotropic layer.
  • FIG. 6A shows the result when the thickness of the optical anisotropic layer 105 is 0 to 500 ⁇ m
  • FIG. 6B shows the result when the thickness of the optical anisotropic layer 105 is 500 to 650 nm. is there.
  • the curve in the figure shows the maximum value of the obtained linear polarization conversion efficiency.
  • the linear conversion efficiency exceeded 50%, and the linearly polarized light extraction efficiency was improved as compared with the condition where the optically anisotropic layer 105 was not inserted.
  • the maximum value was 83.4% when the thickness of the optically anisotropic layer 105 was 570 nm.
  • the thickness and rising angle of the optically anisotropic layer 105 may be designed to have optimum values with respect to the light emission angle from the plasmon excitation layer 104. Further, it is desirable from the viewpoint of efficiency that the difference between the ordinary light refractive index and the extraordinary light refractive index of the optically anisotropic layer 105 is small. From the viewpoint of action, the vertical relationship between the optically anisotropic layer 105 and the dielectric layer 106 may be reversed.
  • the optical element 10 can extract light with a high degree of linear polarization by inserting the optically anisotropic layer 105.
  • an optical element that emits high-luminance light with a high degree of linear polarization can be realized by high-directional radiation with a high degree of linear polarization.
  • FIG. 9 shows the incident angle dependence of the reflectance when light enters the plasmon excitation layer 104 from the wave vector conversion layer 107 side.
  • the legends Rs and Rp indicate the results for s-polarized light and p-polarized light, respectively.
  • the vicinity of 40 ° corresponds to the emission angle of light emission caused by the surface plasmon mode. That is, the light reflected by the reflective polarizer is incident on the plasmon excitation layer 104 again at this angle. Since the reflectance at this time is 50% or more, the amount of extracted linearly polarized light can be further increased by reciprocating between the plasmon excitation layer 104 and the reflective polarizer 210 many times.
  • the configuration of the light emitting element 20 of the present embodiment is shown in the perspective view of FIG.
  • the light emitting element of this embodiment is different from the optical element of Embodiment 1 in that it is configured to operate by current injection.
  • the light emitting device 20 of this embodiment includes an anode 208, a hole transport layer 202, a light emitting layer 203 stacked on the hole transport layer 202, and an electron transport stacked on the light emitting layer 203.
  • the plasmon excitation layer 205 plays the role of a cathode.
  • anode layer 208 for example, a metal thin film such as ITO, Ag, Au, Al or an alloy containing them as a main component, or a multilayer film containing any of ITO, Ag, Au, Al is used. Moreover, you may use the anode material which comprises LED and organic EL similarly as the anode layer 208.
  • the medium around the light emitting element 20 may be any of solid, liquid, and gas, and the substrate side and the wave vector conversion layer 207 side of the light emitting element 20 may be different from each other.
  • the hole transport layer 202 may be a general LED, a p-type semiconductor constituting a semiconductor laser, an aromatic amine compound or tetraphenyldiamine which is a hole transport layer for organic EL, and the like.
  • the light emitting layer 203 a material constituting an active layer of a general LED, semiconductor laser, or organic EL may be used.
  • the light emitting layer 203 may be a multilayer film having a quantum well structure.
  • a general LED an n-type semiconductor constituting a semiconductor laser, Alq3 which is an electron transport layer for organic EL, oxadiazole (PBD), or triazole (TAZ) may be used.
  • PBD oxadiazole
  • TEZ triazole
  • the plasmon excitation layer 205 is the same as the plasmon excitation layer 104.
  • the optically anisotropic layer 206 is the same as the optically anisotropic layer 105. However, the optically anisotropic layer 206 is preferably made of a transparent conductive material. This is because the electron injection efficiency is made uniform in the plane, and the in-plane variation in luminance is suppressed.
  • the wave vector conversion layer 207 is the same as the wave vector conversion layer 107.
  • a reflective layer (reflecting light from the light emitting layer 203 is formed on the lower surface of the anode 208. (Not shown) may be provided.
  • the reflective layer include metal films such as Ag and Al, dielectric multilayer films, and the like.
  • the image display device of the present embodiment is an example of a three-plate projection display device (projector).
  • FIG. 11 shows the configuration of the projector according to the present embodiment.
  • FIG. 11A is a schematic perspective view of the projector according to the present embodiment
  • FIG. 11B is a top view of the projector.
  • the projector 100 includes three light source devices 1r, 1g, and 1b obtained by combining any one of the optical elements or light emitting elements according to the first to third embodiments, three liquid crystal panels 502r, 502g, 502b, a color synthesis optical element 503, and a projection optical system 504 are included as main components.
  • the light source device 1r and the liquid crystal panel 502r, the light source device 1g and the liquid crystal panel 502g, and the light source device 1b and the liquid crystal panel 502b form optical paths, respectively.
  • the light source devices 1r, 1g, and 1b are made of different materials for red (R) light, green (G) light, and blue (B) light, respectively.
  • the liquid crystal panels 502r, 502g, and 502b receive light emitted from the optical element, and modulate the light intensity in accordance with an image to be displayed.
  • the color synthesis optical element 503 synthesizes the light modulated by the liquid crystal panels 502r, 502g, and 502b.
  • the projection optical system 504 includes a projection lens that projects light emitted from the color synthesis optical element 503 onto a projection surface such as a screen.
  • the projector of the present embodiment shown in FIG. 11 is a three-plate liquid crystal projector, but the present invention is not limited to this example, and may be, for example, a single-plate liquid crystal projector.
  • the image display device of the present invention may be an image display device combined with a backlight of a liquid crystal display device or a backlight using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) as well as the projector described above. Moreover, the illuminating device which projects light may be sufficient.
  • Appendix 1 A plasmon excitation layer capable of exciting surface plasmons; An emission layer that is disposed above the plasmon excitation layer and that emits light generated on the upper surface of the plasmon excitation layer or surface plasmon into light having a predetermined emission angle; Furthermore, an optically anisotropic layer is provided between the plasmon excitation layer and the emission layer, The optical element in which the optically anisotropic layer has at least one optical axis inclined with respect to the stacking direction of the layers.
  • Appendix 2 The optical element according to appendix 1, which is a light emitting element.
  • Appendix 3 The optical element according to appendix 1 or 2, wherein the optically anisotropic layer has uniaxial optical anisotropy.
  • the optically anisotropic layer has biaxial optical anisotropy;
  • the optical element according to supplementary note 1 or 2 wherein at least one of the two optical axes of the optically anisotropic layer is inclined with respect to the stacking direction of the layers.
  • Appendix 6 The optical element according to any one of appendices 1 to 5, further comprising a reflective polarizer on the upper side of the emission layer.
  • optical element The optical element according to any one of supplementary notes 1 to 6, Including a light projection unit, An illumination apparatus capable of projecting light when light is incident on the light projection unit from the optical element and light is emitted from the light projection unit.
  • the illuminating device of Claim 7 including the projection optical system which projects a projection image
  • Appendix 9 The lighting device according to appendix 7 or 8, wherein the optical element is disposed in a direction different from a direction of light emitted from the light projection unit with respect to the light projection unit.
  • the optical element according to any one of supplementary notes 1 to 6, Including an image display unit, An image display device capable of displaying an image when light is incident on the image display unit from the optical element and emitted from the image display unit.
  • the image display apparatus of Additional remark 10 including the projection optical system which projects a projection image
  • Appendix 12 The image display device according to appendix 10 or 11, wherein the optical element is disposed in a direction different from a direction of light emitted from the light projection unit with respect to the light projection unit.
  • Appendix 14 By the operation method according to appendix 13, light is emitted from the optical element according to any one of appendices 1 to 6, The operation method of the illumination device according to any one of appendices 7 to 9, wherein light is projected by causing the light to enter the light projection unit from the optical element and to emit light from the light projection unit.
  • the lighting device is the lighting device according to attachment 8, Furthermore, the operating method of Additional remark 14 which projects a projection image
  • Appendix 16 By the operation method according to appendix 13, light is emitted from the optical element according to any one of appendices 1 to 6, The operation method of the image display device according to any one of appendices 10 to 12, wherein the light is incident on the image display unit from the optical element and the image is displayed by emitting the light from the image display unit.
  • the image display device is the image display device according to attachment 11, Furthermore, the operating method of Additional remark 16 which projects a projection image
  • Light source device 10 50 Optical element 20 Light emitting element 100 LED projector (image display device) 102, 203 Light emitting layer 103, 106 Dielectric layer 104, 205 Plasmon excitation layer 105, 206 Optical anisotropic layer 107, 207 Wave vector conversion layer 201a, 201b Light emitting element 202 Hall transport layer 204 Electron transport layer 210 Reflective polarizer 502r, 502g, 502b Liquid crystal panel 503 Color composition optical element 504 Projection optical system

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Description

光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法
　本発明は、光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法に関する。
　プロジェクタ等の画像表示装置は、例えば、発光素子を有する光源装置と、前記光源装置からの光が入射する照明光学系と、前記照明光学系からの光が入射する液晶表示板を有するライトバルブと、前記ライトバルブからの光を投射面上に投射するための投射光学系とから形成される。
　前記画像表示装置では、投射映像の輝度を高めるために、前記光源装置から前記ライトバルブまでの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。
　また、光源装置の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、光源装置の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、光源装置からの光が投射光として利用されない。
　そのため、発光素子と、発光素子からの光が入射する光学素子とを有する光源装置では、光学素子からの出射光のエテンデューの低減を図ることによって、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。
　低エテンデューな光を得る方法として、発光体中の励起子と表面プラズモンの相互作用によって引き起こされる高指向性放射を応用する方法がある（特許文献１、特許文献２）。
　このような光学素子、発光素子は、つぎのような原理で発光する。まず、前記発光層に前記発光素子から照射された励起光が吸収されることで、前記発光層中に励起子が生成される。この励起子は、前記プラズモン励起層中の自由電子と結合し、表面プラズモンを励起する。そして、前記励起された表面プラズモンが、光として放出される。
特開２００２－６４２３３号公報 特開２００６－３１３６６７号公報
　前記特許文献１等に記載の光学素子および発光素子では、表面プラズモンの偏光がｐ偏光に限定されることから、１点からの出射光が軸対称偏光となる。一方、表示素子として、液晶表示素子を用いたプロジェクタ（液晶プロジェクタ）の場合は、ある直線偏光のみが透過可能である。つまり、表面プラズモンを用いた光源を液晶プロジェクタに用いる場合は、５０％の偏光損失が発生するという課題がある。
　本発明の目的は、高指向性かつ高直線偏光度な光を高効率に放射する光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法を提供することにある。
　前記目的を達成するために、本発明の光学素子は、表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層と、前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子である。
　本発明の照明装置は、本発明の光学素子と、光投射部と、投射光学系とを含み、前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能であり、前記投射光学系は、前記光投射部からの出射光により投射映像を投射する照明装置である。
　本発明の画像表示装置は、本発明の光学素子と、画像表示部とを含み、前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である。
　本発明の光学素子の作動方法は、本発明の光学素子において、前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する。
　本発明によれば、高指向性かつ高直線偏光度な光を高効率に放射する光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法を提供することができる。
図１は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）の構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対する発光素子の配置の一例を示す斜視図である。 図３は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して光学異方性層中における座標の定義を示す概念図である。 図４は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して直線偏光変換効率の起き上がり角依存性を示す図である。 図５は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して最適光出射角の起き上がり角依存性を示す図である。 図６（ａ）は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して、光学異方性層の厚さを０～５００μｍとした場合の直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性を示す図である。図６（ｂ）は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して、光学異方性層の厚さを５００～６５０ｎｍとした場合の直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性を示す図である。 図７は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して、直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性を示す図である。 図８は、本発明の光学素子の一例（実施形態２）の構成を模式的に示す斜視図である。 図９は、本発明の光学素子の一例（実施形態２）に対して、プラズモン励起層に波数ベクトル変換層側から光が入射する際の反射率の入射角依存性を示す図である。 図１０は、本発明の光学素子の一例（実施形態３）の構成を模式的に示す斜視図である。 図１１（ａ）は、本発明の画像表示装置（プロジェクタ）の一例（実施形態４）の構成を模式的に示す概略斜視図である。図１１（ｂ）は、本発明の画像表示装置（プロジェクタ）の一例（実施形態４）の構成を模式的に示す上面図である。
　以下、本発明の光学素子、発光素子および画像表示装置の例である実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、以下の図１から図１１において、同一部分には、同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なり、模式的に示す場合がある。また、特に断らない限り、誘電率という言葉は比誘電率を指すものとする。
（実施形態１）
　本実施形態の光学素子は、誘電体層を有する光学素子の一例である。図１の斜視図に、本実施形態の光学素子の構成を示す。
　図１に示すように、本実施形態の光学素子１０は、発光層１０２と、発光層１０２上に積層された誘電体層１０３と、誘電体層１０３上に積層されたプラズモン励起層１０４と、プラズモン励起層１０４上に積層された光学異方性層１０５と、光学異方性層１０５上に積層された誘電体層１０６と、誘電体層１０６上に積層された波数ベクトル変換層（出射層）１０７とを含む。
　光学素子１０は、励起光入射側部分（以下、「入射側部分」ということがある。）の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が、光出射側部分（以下、「出射側部分」ということがある。）の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部よりも低くなるように構成されている。前記入射側部分は、プラズモン励起層１０４の発光層１０２側に積層された構造全体と発光層１０２に接する周囲雰囲気媒質（以下、「媒質」ということがある。）とを含む。前記構造全体には、誘電体層１０３および発光層１０２が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１０４の波数ベクトル変換層１０７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層１０７に接する媒質とを含む。前記構造全体には、光学異方性層１０５、誘電体層１０６および波数ベクトル変換層１０７が含まれる。なお、誘電体層１０３および誘電体層１０６は、本発明において、必須の構成要素ではない。ただし、誘電体層１０３および誘電体層１０６を除いた構造において、前記入射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が前記出射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部以上である場合には、誘電体層１０３および誘電体層１０６があることが好ましい。
　ここで、前記表面プラズモンに対する実効誘電率は、入射側部分または出射側部分の誘電率分布と、プラズモン励起層１０４の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布に基づいて決定される。前記表面プラズモンに対する実効誘電率（εeff,spp）は、プラズモン励起層１０４の界面に平行な方向をｘ軸およびｙ軸、プラズモン励起層１０４の界面に垂直な方向（プラズモン励起層１０４の表面に凹凸が形成されている場合には、その平均面に垂直な方向）をｚ軸とし、発光層１０２単体を励起光で励起したとき、発光層１０２から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１０４に対する前記入射側部分または前記出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、Ｉｍ［　］を［　］内の数値の虚部を示す記号、｜｜を｜｜内の数値の絶対値を示す記号とすれば、下記式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　前記式（１）において、積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１０４に対する、前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸およびｙ軸方向の範囲は、前記入射側部分の構造全体の外周面、または前記出射側部分の構造全体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１０４の波数ベクトル変換層１０７側の面に平行な面内の外縁までの範囲である。積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、前記入射側部分または前記出射側部分の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、プラズモン励起層１０４と、プラズモン励起層１０４に隣接する、誘電性を有する層（誘電体層１０３または誘電体層１０６）との界面を、ｚ＝０となる位置とし、これらの界面から、プラズモン励起層１０４の、誘電体層１０３または誘電体層１０６側の無限遠までの範囲であり、これらの界面から遠ざかる方向を、前記式（１）における（＋）ｚ方向とする。例えば、プラズモン励起層１０４の表面に凹凸が形成されている場合、プラズモン励起層１０４の凹凸に沿ってz座標の原点を移動させれば、前記式（１）から実効誘電率が求められる。例えば、実効誘電率の計算範囲において、光学異方性を有する材料が含まれている場合、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）はベクトルとなり、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに異なった値を有する。すなわち、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、前記入射側部分および前記出射側部分の実効誘電率が存在する。この場合、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）の値は、ｚ軸に垂直な動径方向に対する誘電率とする。したがって、後述のkspp,z、kspp、ｄeff等の、実効誘電率の関係する全ての現象は、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を有する。
　また、前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、前記表面プラズモンの波数のｘおよびｙ成分ksppは、プラズモン励起層１０４の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、下記式（２）および（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　前記表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,sppは、下記式（４）、式（５）または式（６）で表される式を用いて算出されてもよい。ただし、積分範囲に屈折率の実部が１未満の材料が含まれる場合、計算が発散するため、前記式（１）または式（４）を用いるのが、望ましく、式（１）を用いるのが特に望ましい。積分範囲に屈折率の実部が１未満の材料が含まれない場合は式（５）を用いるのが、望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、ｊは虚数単位、Ｉｍ［　］は［　］内の数値の虚部を示す記号である。前記式（４）、式（５）、および式（６）において、積分範囲や式中の記号は式（１）と同様である。ただし、前記式（５）および式（６）において、前記表面プラズモンの波数のｘおよびｙ成分ksppのみ下記式（７）に示す通りとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　光学素子１０では、プラズモン励起層１０４の発光層１０２側表面から発光層１０２のプラズモン励起層１０４側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。前記ｄeffは、Ｉｍ［　］を［　］内の数値の虚部を示す記号とし、表面プラズモンの有効相互作用距離を表面プラズモンの強度がｅ-2となる距離とすれば、下記式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　したがって、前記式（１）、前記式（２）および前記式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１０４の前記入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、およびプラズモン励起層１０４の前記出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層１０４に対する前記入射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp,in、および前記出射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp,outが、それぞれ求められる。例えば、ｚ軸に垂直な面内に誘電率の異方性がある場合、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、前記入射側部分および前記出射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率が存在する。したがって、前述のように、kspp,z、kspp、後述のｄeff等の、実効誘電率の関係する全ての現象は、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を有する。実際には、表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,sppとして適当な初期値を与え、前記式（１）、前記式（２）および前記式（３）を繰り返し計算することで、表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,sppを容易に求められる。なお、例えば、プラズモン励起層１０４に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合、前記式（２）で表される表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。このため、プラズモン励起層１０４に接する層の誘電率が、この場合の表面プラズモンに対する実効誘電率に相当する。後述の実施形態における表面プラズモンに対する実効誘電率も、前記式（１）と同様に定義される。上記の説明は式（４）、（５）、（６）、および（７）についても同様に当てはまる。
　図２の斜視図に、本実施形態の光学素子に対する発光素子２０１の配置の一例を示す。光学素子１０では、発光素子２０１ａおよび２０１ｂから出射される光（以下、「励起光」ということがある）が、発光層１０２側から発光層１０２に入射する。このような構成により、発光層１０２中に励起子が励起され、そのエネルギーが表面プラズモンに起因するモード（表面プラズモンモード）へ選択的に緩和することで、励起子のエネルギーのほとんどが高指向性放射として、外部に放出される。
　表面プラズモンモードが光学異方性層１０５／誘電体層１０６界面から誘電体層１０６へ放射する際の放射角θout,sppは、誘電体層１０６の屈折率をｎoutとすると、下記式（９）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　表面プラズモンモードに起因する発光は原理的にｐ偏光であり、式（９）で表されるとおり、非常に高い指向性を持つ。本発明者らは、この光学的な著しい特異性に着目し、鋭意研究を重ねた結果、光学異方性媒体の光学軸（光学異方性媒体が持つ直交する３方向の独立な屈折率のうち、それらの間で最も差異の大きい屈折率を有する方向）をプラズモン励起層に対して垂直な方向から傾けることで、軸対称偏光した光を放出する素子から直線偏光度の高い光が得られることを見出した。この知見は、本発明者らが初めて見出したものである。
　軸対称偏光が光学異方性層１０５によって直線偏光化される原理を以下に説明する。光学異方性に光が入射すると、光は異常光と常光に分離される。異常光と常光では位相速度が異なるため、光学異方性層１０５を透過した光には位相差が与えられ、結果、出射光の偏光が回転させられる。一光学異方性層１０５において、光が異常光と常光に分離されるためには、偏光の光学軸への射影が光学軸と平行な成分と垂直な成分を持つ必要がある。つまり、偏光の光学軸への射影が方位角依存性を持つように光学異方性層１０５の光学軸を配置し、その厚さを直線偏光度が高くなる厚さとすることで、光学異方性層１０５が方位角依存性のある１／２波長板として機能するため、光学異方性層１０５を透過した指向性の高い軸対称偏光は直線偏光度の高い光に変換される。なお、本発明において、前記光学異方性層は、一軸性の光学異方性を有する層でも良いが、二軸性の光学異方性を有し、前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜していることが好ましい。また、前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向であることがより好ましい。なお、前記光学異方性層において、「主軸」は、誘電率テンソルを対角化するような座標系を構成する軸をいい、「主屈折率」は、前記主軸に付随した屈折率をいう。
　発光素子２０１ａおよび２０１ｂは、発光層１０２が吸収可能な波長の光（励起光）を出射する。具体的には、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等があげられる。発光素子２０１ａおよび２０１ｂは、励起光が発光層１０２を透過して誘電体層１０３に出射すれば、光学素子１０に対してどのように配置されていてもよい。
　発光層１０２は、前記励起光を吸光して励起子を生成させる層である。発光層１０２は、例えば、発光体を含む。発光層１０２は、例えば、発光波長が同一または異なる複数の波長の光を発生する、複数の材料から構成されてもよい。発光層１０２の厚みは、特に制限されず、例えば、１μｍ以下が好ましく、２００ｎｍ以下が特に好ましい。
　発光層１０２は、例えば、前記発光体を光透過性部材に分散させた層である。前記発光体の形状は、例えば、粒子状である。前記発光体は、例えば、有機蛍光体、無機蛍光体、半導体蛍光体等があげられる。前記励起光の吸収効率および発光効率の観点から、前記発光体は、半導体蛍光体が好ましい。
　前記有機蛍光体は、例えば、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ　６Ｇ）、スルホローダミン（ｓｕｌｆｏｒｈｏｄａｍｉｎｅ　１０１）等があげられる。前記無機蛍光体は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎ、（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ）５（ＰＯ４）３：Ｃｌ：Ｅｕ等があげられる。
　前記半導体蛍光体は、例えば、コア／シェル構造のもの、マルチコアシェル構造のもの、またはそれらの表面に有機化合物が結合したもの等があげられる。前記マルチコアシェル構造の半導体蛍光体は、具体的には、例えば、コア／シェル構造を有する半導体蛍光体の、前記シェル部の外側にさらに他の材料からなるシェル部が設けられたコア／シェル／シェル構造；中央部にシェル部が配置され、このシェル部を覆うようにコア部が設けられ、さらに前記コア部の外側を覆うようにシェル部が設けられたシェル／コア／シェル構造；等の半導体蛍光体があげられる。
　前記コア部の形成材料は、例えば、ＩＶ族半導体、ＩＶ－ＩＶ族半導体、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体、Ｉ－ＶＩＩＩ族化合物半導体、ＩＶ－ＶＩ族化合物半導体等の半導体材料があげられる。また、前記コア部の形成材料は、例えば、混在する結晶が１種の元素からなる単体半導体、２種の元素からなる２元化合物半導体、３種以上の元素からなる混晶半導体等の半導体材料でもよい。発光効率向上の観点から、前記コア部は、直接遷移型半導体材料から構成されていることが好ましい。また、前記コア部を構成する半導体材料は、可視光を発するものが好ましい。耐久性の観点から、例えば、前記形成材料は、原子の結合力が強く化学的安定性が高い、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料が好ましい。
　前記半導体蛍光体の発光スペクトルのピーク波長の調整の容易性から、前記コア部は、前記混晶半導体材料から構成されていることが好ましい。一方、製造の容易性の観点から、前記コア部は、４元以下の混晶からなる半導体材料から構成されていることが好ましい。
　前記コア部を構成可能な２元化合物半導体材料は、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＣｌ等があげられる。これらの中でも、環境負荷等の観点から、ＩｎＰ、ＩｎＮが好ましい。製造の容易性の観点から、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅが好ましい。
　前記コア部を構成可能な３元混晶の半導体材料は、例えば、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＣｄＴｅ、ＰｂＳＳｅ、ＰｂＳＴｅ、ＰｂＳｅＴｅ等があげられる。これらの中でも、環境に調和した材料であり、外界からの影響を受けにくい半導体蛍光体の製造の観点から、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮが好ましい。
　前記シェル部の材料は、例えば、ＩＶ族半導体、ＩＶ－ＩＶ族半導体、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体、Ｉ－ＶＩＩＩ族化合物半導体、ＩＶ－ＶＩ族化合物半導体等の半導体材料があげられる。また、前記シェル部の形成材料は、例えば、混在する結晶が１種の元素からなる単体半導体、２種の元素からなる２元化合物半導体、３種以上の元素からなる混晶半導体等の半導体材料でもよい。発光効率向上の観点から、前記シェル部の形成材料は、前記コア部の形成材料より高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料であることが好ましい。
　前記コア部の保護機能の観点から、前記シェル部は、原子の結合力が強く化学的安定性が高いＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料から形成されていることが好ましい。一方、製造の容易性の観点から、前記シェル部は、４元以下の混晶からなる半導体材料から構成されていることが好ましい。
　前記シェル部を構成可能な２元化合物半導体材料は、例えば、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＡｓ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣｕＣｌ、ＳｉＣ等があげられる。これらの中でも、環境負荷等の観点から、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣｕＣｌ、ＳｉＣが好ましい。
　前記シェル部を構成可能な３元混晶の半導体材料は、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅ、ＺｎＯＴｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＳＴｅ、ＺｎＳｅＴｅ等があげられる。これらの中でも、環境に調和した材料であり、外界からの影響を受けにくい半導体蛍光体の製造の観点から、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＴｅ、ＺｎＳＴｅが好ましい。
　前記半導体蛍光体の表面に結合される有機化合物は、例えば、機能部であるアルキル基と前記コア部または前記シェル部との結合部からなる有機化合物が好ましい。具体的には、例えば、アミン化合物、ホスフィン化合物、ホスフィンオキシド化合物、チオール化合物、脂肪酸等があげられる。
　前記ホスフィン化合物は、例えば、トリブチルホスフィン、トリヘキシルホスフィン、トリオクチルホスフィン等があげられる。
　前記ホスフィンオキシド化合物は、例えば、１－ジクロロホスフィノルヘプタン、１－ジクロロホスフィノルノナン、ｔ－ブチルホスホン酸、テトラデシルホスホン酸、ドデシルジメチルホスフィンオキシド、ジオクチルホスフィンオキシド、ジデシルホスフィンオキシド、トリブチルホスフィンオキシド、トリペンチルホスフィンオキシド、トリヘキシルホスフィンオキシド、トリオクチルホスフィンオキシド等があげられる。
　前記チオール化合物は、例えば、トリブチルサルファイド、トリヘキシルサルファイド、トリオクチルサルファイド、１－ヘプチルチオール、１－オクチルチオール、１－ノナンチオール、１－デカンチオール、１－ウンデカンチオール、１－ドデカンチオール、１－トリデカンチオール、１－テトラデカンチオール、１－ペンタデカンチオール、１－ヘキサデカンチオール、１－オクタデカンチオール、ジヘキシルサルファイド、ジヘプチルサルファイド、ジオクチルサルファイド、ジノニルサルファイド等があげられる。
　前記アミン化合物は、例えば、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタデシルアミン、オレイルアミン、ジオクチルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、トリノニルアミン等があげられる。
　前記脂肪酸は、例えば、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイル酸等があげられる。
　発光の単色性が高いことが求められる用途では、前記半導体蛍光体の粒子径が揃っていることが好ましく、発光の演色性が高いことが求められる用途では、前記半導体蛍光体の粒子径が揃っていないことが好ましい。これは、前記半導体蛍光体から放出される光の波長（発光波長、以下、同様。）が、前記半導体蛍光体の粒子径に依存しているためである。
　前記光透過性部材は、発光層１０２に、前記発光体を分散配置させた状態で封止するためのものであり、発光層１０２に入射された励起光および前記発光体から発せされる光を吸収しないものが好ましい。前記光透過性部材は、水分、酸素等を透過しない材料で構成されていることが好ましい。このように構成すれば、例えば、前記光透過性部材によって発光層１０２内部への水分、酸素等の進入を防止でき、前記発光体が水分、酸素等により影響を受けるのを緩和できる。このため、前記発光体の耐久性を向上できる。前記光透過性部材の形成材料は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、尿素樹脂等の光透過性樹脂材料；酸化アルミニウム、酸化ケイ素、イットリア等の光透過性無機材料等があげられる。
　発光層１０２は、例えば、金属粒子を含んでもよい。前記金属粒子は、前記励起光との相互作用により、前記金属粒子の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に、前記励起光の電場強度に対して１００倍近くの増強電場を誘起する。この増強電場により、発光層１０２内に生成される励起子を増加でき、例えば、光学素子１０における前記励起光の利用効率を向上できる。
　前記金属粒子を構成する金属は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記金属は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、またはこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム、またはこれらを主成分とする合金が特に好ましい。前記金属粒子は、例えば、その周辺部と中心部とで金属種の異なるコアシェル構造；２種の金属の半球の合体した半球合体構造；異なるクラスターが集合して粒子を作るクラスター・イン・クラスター構造等の構造を有してもよい。前記金属粒子を、例えば、前記合金または、前述の特殊構造とすることにより、前記金属粒子の寸法、形状等を変化させなくとも、共鳴波長を制御できる。
　前記金属粒子の形状は、閉じた表面を有する形状であればよく、例えば、直方体、立方体、楕円体、球体、三角錐、三角柱等があげられる。前記金属粒子は、例えば、半導体リソグラフィ技術に代表される微細加工により、金属薄膜が一辺１０μｍ未満の閉じた面で構成される構造体に加工されたものも含まれる。前記金属粒子のサイズは、例えば、１～１００ｎｍの範囲であり、好ましくは５～７０ｎｍの範囲であり、より好ましくは１０～５０ｎｍの範囲である。
　プラズモン励起層１０４は、発光層１０２単体を励起光で励起したときに発光層１０２で発生する光の周波数（以下、「発光周波数」ということがある。）よりも高いプラズマ周波数を有する形成材料により形成された、微粒子層または薄膜層である。すなわち、プラズモン励起層１０４は、発光周波数において負の誘電率を有する。プラズモン励起層１０４の発光層１０２側に、プラズモン励起層１０４の発光層１０２側の界面から、前記式（８）で表される表面プラズモンの有効相互作用距離までの範囲に、例えば、光学異方性を有する誘電体層の一部が配置されてもよい。この誘電体層は、例えば、この光学素子１０の構成要素の積層方向に垂直な面内、言い換えれば、各層の界面に並行な面内での方向によって誘電率が異なる光学異方性を有する。すなわち、この誘電体層は、光学素子１０の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向で、誘電率の大小関係がある。この誘電体層により、光学素子１０の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向とでは、前記入射側部分の実効誘電率が異なる。そして、前記入射側部分の実効誘電率の実部を、ある方向でプラズモン結合が発生しないほど高く、それと直交する方向ではプラズモン結合が発生する程度低く設定すれば、例えば、波数ベクトル変換層１０７に入射する光の入射角および偏光をさらに限定できる。このため、例えば、波数ベクトル変換層１０７による光の取り出し効率を、さらに向上できる。
　理論的には、前記入射側部分の実効誘電率の実部とプラズモン励起層１０４の誘電率の実部との和が、負または０の場合、発光層１０２で生成された励起子は、プラズモン励起層１０４に表面プラズモンを励起する。一方、前記和が正の場合、前記励起子は、表面プラズモンを励起しない。すなわち、前述のプラズモン結合が発生しない程度高い実効誘電率とは、プラズモン励起層１０４の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部との和が正となるような誘電率であり、前述のプラズモン結合が発生する程度低い実効誘電率とは、プラズモン励起層１０４の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部との和が負または０となるような誘電率である。発光層１０２で生成された励起子が表面プラズモンへ結合する効率は、前記入射側部分の実効誘電率の実部とプラズモン励起層１０４の誘電率の実部の和とが０となる条件である。したがって、プラズモン励起層１０４の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部の最低値との和が０となる条件が、方位角に対する指向性を高める点で、最も好ましい。ただし、上記条件では、例えば、方位角に対する指向性を高め過ぎによる、プラズモン励起層１０４を透過する発光の減少やそれに伴うプラズモン励起層１０４での発熱が懸念される。このため、実用上は、方位角の指向性を高めすぎないのが好ましい。具体的には、方位角４５度方向において、プラズモン励起層１０４の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部の和が０となる条件で、例えば、方位角３１５度～４５度、１３５度～２２５度の範囲に高指向性放射が得られる。このため、例えば、方位角に対する指向性の向上と発光減少の抑制とを両立できる。前記光学異方性を有する誘電体層の構成材料は、例えば、ＴｉＯ2、ＹＶＯ4、Ｔａ2Ｏ5等の異方性結晶、配向させられた有機分子等があげられる。構造に起因して光学異方性を有する前記誘電体層は、例えば、誘電体の斜め蒸着膜、斜めスパッタ膜等があげられる。構造に起因して光学異方性を有する前記誘電体層では、如何なる構成材料であっても用いることもできる。
　プラズモン励起層１０４の構成材料は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記構成材料は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合体が好ましく、金、銀、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合物が特に好ましい。プラズモン励起層１０４の厚みは、特に制限されず、１００ｎｍ以下が好ましく、２０～４０ｎｍ程度が特に好ましい。
　プラズモン励起層１０４の発光層１０２側表面は、平坦であることが望ましい。これは表面プラズモンモードや導波路モードが散乱されるのを抑制するためである。
　誘電体層１０３は、誘電体を含む層であり、発光波長に対して吸収のない材料で構成されることが好ましい。具体的には、例えば、ＳｉＯ２ナノロッドアレイフィルム；ＳｉＯ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、低誘電率プラスチック等の薄膜または多孔質膜等や、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料があげられる。誘電体層１０３の厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満が好ましく、より好ましくは２０ｎｍ以上５０ｎｍ未満の範囲である。
　誘電体層１０６は、誘電体を含む層であり、発光波長に対する屈折率が大きく、発光波長に対して吸収のない材料で構成されることが好ましい。具体的には、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料があげられる。誘電体層１０６の厚みは、特に制限されない。
　波数ベクトル変換層１０７は、プラズモン励起層１０４と誘電体層１０６との界面から放射される光を、その波数ベクトルを変換することにより、光学素子１０から出射させる出射部である。波数ベクトル変換層１０７は、前記放射光を、プラズモン励起層１０４と誘電体層１０６との界面にほぼ直交する向きに、光学素子１０から出射させる機能を有する。
　波数ベクトル変換層１０７の形状は、例えば、表面レリーフ格子；フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造；そのサイズが光学素子１０からの出射光の波長より大きいテクスチャー構造（例えば、粗面によって構成される表面構造）；ホログラム；マイクロレンズアレイ等があげられる。前記準周期構造は、例えば、周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を示す。光の取り出し効率の向上および指向性制御の観点から、前記形状は、フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造；マイクロレンズアレイ等が好ましい。前記フォトニック結晶は、結晶構造が三角格子構造を採るものが好ましい。波数ベクトル変換層１０７は、例えば、平板状の基部上に凸部が設けられた構造でもよい。
　光学素子１０では、プラズモン励起層１０４の発光層１０２側表面から発光層１０２のプラズモン励起層１０４側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。このように設定されていることで、発光層１０２中に生成される励起子とプラズモン励起層１０４中の自由電子とを、効率よく結合でき、その結果、例えば、発光効率を向上できる。結合効率の高い領域は、例えば、発光層１０２中の励起子が生成される位置（例えば、発光層１０２中の蛍光体が存在する位置）から、プラズモン励起層１０４の発光層１０２側表面までの領域である。前記領域は、例えば、２００ｎｍ程度と非常に狭く、例えば、１～２００ｎｍ範囲または１０～１００ｎｍの範囲である。光学素子１０において、前記領域が１～２００ｎｍの範囲の場合には、例えば、発光層１０２は、プラズモン励起層１０４から１～２００ｎｍの範囲内に配置されていることが好ましい。また、前記領域が１０～１００ｎｍの範囲の場合には、例えば、発光層１０２は、プラズモン励起層１０４から１０～１００ｎｍの範囲内に配置されていることが好ましく、具体的には、例えば、誘電体層１０３の厚みを１０ｎｍ、発光層１０２の厚みを９０ｎｍとする。光取り出し効率の観点からは、発光層１０２は薄いほど好ましい。一方、光出力定格の観点からは、発光層１０２は厚いほど好ましい。したがって、発光層１０２の厚みは、例えば、求められる光取り出し効率と光出力定格とに基づいて決定される。なお、前記領域の範囲は、発光層１０２とプラズモン励起層１０４との間に配置される誘電体層１０３の誘電率等により変化するため、所定条件における前記領域の範囲に応じて、例えば、前記誘電体層の厚みおよび前記発光層の厚み等を、適宜設定すればよい。
　図３に光学異方性層１０５中における座標の定義を示す。各層の界面に平行な方向をｘ軸およびｙ軸とし、垂直な方向をｚ軸とし、ｚ軸とプラズモン励起層１０４から出射する光の常光成分の放射方向とのなす角を出射角θｉ、光学異方性層の光学軸とｘｙ平面とのなす角を起き上がり角θｐとする。
　光学異方性層１０５は、光学軸の起き上がり角が０＜θｐ＜９０の範囲に設定されており、その厚さは直線偏光の得られる量が最大となるように設定されている。光学異方性層１０５は、１軸性光学異方性媒体、２軸性光学異方性媒体のいずれで構成されていてもよい。ただし、効率の観点からは１軸性光学異方性媒体が用いられることが望ましい。２軸性光学異方性媒体が用いられる場合は、１軸性光学異方性媒体に近いほど好ましい。具体的には、直交する独立な屈折率のうち、２つが非常に近い値であり、１つがそれらの差よりも大きな差をもつ。光学異方性層１０５の構成材料は、例えば、ＴｉＯ2、ＹＶＯ4、Ｔａ2Ｏ5等の異方性結晶、配向させられた有機分子等があげられる。構造に起因して光学異方性を有する光学異方性を光学異方性層１０５が備える場合には、光学異方性層１０５は例えば、誘電体の斜め蒸着膜、斜めスパッタ膜等で構成されている。光学異方性層１０５が構造に起因して光学異方性を有する場合は、如何なる構成材料であっても用いることもできる。
　光学異方性層１０５の条件を詳細に検討するために、直線偏光変換効率の起き上がり角依存性、最適光出射角の起き上がり角依存性、直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性、直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性をジョーンズ計算法によるシミュレーションで評価した。
　シミュレーションでは、光学異方性層１０５を１軸性光学異方性媒体とし、光学異方性層１０５の下面からｐ偏光の軸対称偏光が入射したと仮定し、光学異方性層１０５の上面に到達したときの直線偏光変換効率を計算した。ここで、直線偏光変換効率は、特定の光出射角θｉに対して全方位角に渡って計算されたｘ軸に沿う偏光の割合の平均値である。全計算において、出射光の波長を５３０ｎｍ、光学異方性層１０５の常光屈折率を２．６７とした。
　直線偏光変換効率の起き上がり角依存性の計算では、異常光屈折率を２．９８とし、光学異方性層の厚さと光出射角θｉを変数としたときの直線偏光変換効率の最大値を起き上がり角θｐごとに計算した。最適光出射角の起き上がり角依存性の計算では、異常光屈折率を２．９８とし、光学異方性層１０５の厚さと光出射角θｉを変数としたときの直線偏光変換効率の最大値を与える光出射角θｉを起き上がり角θｐごとに計算した。直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性では、異常光屈折率を２．９８、光出射角θｉを６０°、起き上がり角θｐを４５°とし、直線偏光変換効率の厚さの依存性を計算した。直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性の計算では、光出射角θｉを３０°、起き上がり角θｐを６５°とし、直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性を計算した。
　直線偏光変換効率の起き上がり角依存性を図４に示す。起き上がり角が４０°から７０°の範囲において８０％以上の直線変換効率が得られた。
　最適光出射角の起き上がり角依存性を図５に示す。起き上がり角と最適光出射角との間には線形性があった。起き上がり角が４０°から７０°の範囲において８０％以上の直線変換効率が得られたことから、θｉ出射角として好ましいのは２０°から６５°である。
　直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性を図６に示す。図６（ａ）は光学異方性層１０５の厚さを０～５００μｍとした場合の結果、図６（ｂ）は光学異方性層１０５の厚さを５００～６５０nｍとした場合の結果である。図中の曲線は、得られた直線偏光変換効率の最大値を示している。いずれの厚さにおいても直線変換効率が５０％を上回っており、直線偏光取り出し効率が、光学異方性層１０５を挿入しない条件と比較して向上した。最大値は光学異方性層１０５の厚さが５７０ｎｍのときで、８３．４％であった。
　直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性を図７に示す。図示のとおり、常光屈折率と異常光屈折率の差が小さいほど、直線偏光変換効率が高くなった。
　以上から、光学異方性層１０５の厚さや起き上がり角はプラズモン励起層１０４からの光出射角に対して、最適値を持つように設計すればよいことが明らかとなった。また、光学異方性層１０５の常光屈折率と異常光屈折率の差が小さいことが効率の観点からは望ましい。作用の観点からは、光学異方性層１０５と誘電体層１０６の上下関係は逆でもよい。
　以上のように、光学異方性層１０５の挿入によって、光学素子１０では直線偏光度の高い光を取り出すことが可能である。本発明によれば、直線偏光度の高い高指向性放射により、例えば、直線偏光度の高く高輝度な光を放射する光学素子を実現できる。
（実施形態２）
　図８の斜視図に、本実施形態の別の光学素子の構成を示す。本実施形態の光学素子５０は、反射型偏光子２１０が光学素子１０の外部に取り付けられている点のみが実施形態１とは異なっている。
　図９にプラズモン励起層１０４に波数ベクトル変換層１０７側から光が入射する際の反射率の入射角依存性を示す。凡例のＲｓおよびＲｐはそれぞれｓ偏光、ｐ偏光に対する結果であることを示している。４０°付近が表面プラズモンモードに起因する発光の出射角に相当する。つまり、反射型偏光子で反射された光はこの角度で再度プラズモン励起層１０４に入射する。このときの反射率は５０％以上あることから、プラズモン励起層１０４と反射型偏光子２１０との間を何度も往復することによって、取り出される直線偏光の量を更に増加させることができる。
（実施形態３）
　図１０の斜視図に、本実施形態の発光素子２０の構成を示す。本実施形態の発光素子は、実施形態１の光学素子と比べ、電流注入で動作するように構成されている点が異なっている。図１０に示すように、本実施形態の発光素子２０は、陽極２０８と、ホール輸送層２０２と、ホール輸送層２０２上に積層された発光層２０３と、発光層２０３上に積層された電子輸送層２０４と、電子輸送層２０４上に積層されたプラズモン励起層２０５と、プラズモン励起層２０５上に積層された光学異方性層２０６と、光学異方性層２０６上に積層された波数ベクトル変換層２０７とを含む。本実施形態において、プラズモン励起層２０５は陰極の役割を果たしている。
　プラズモン励起層２０５から電子が、陽極２０８からホールが発光素子２０に注入され、発光層２０３で励起子を形成する。その後の高指向性放射の原理は実施形態１と同様である。
　陽極層２０８としては、例えばＩＴＯ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌや、それらを主要成分とする合金等の金属薄膜、ＩＴＯ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌのいずれかを含む多層膜が用いられる。また、陽極層２０８として、ＬＥＤ、有機ＥＬを構成する陽極材料を同様に用いてもよい。発光素子２０の周囲の媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、発光素子２０の基板側と波数ベクトル変換層２０７側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
　ホール輸送層２０２には、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｐ型半導体や、有機ＥＬ用のホール輸送層である芳香族アミン化合物やテトラフェニルジアミン等が用いられてもよい。
　発光層２０３には、一般的なＬＥＤ、半導体レーザ、有機ＥＬの活性層を構成する材料が用いられてもよい。また、発光層２０３が量子井戸構造からなる多層膜であってもよい。
　電子輸送層２０４には、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｎ型半導体や、有機ＥＬ用電子輸送層であるＡｌｑ３、オキサジアゾール（ＰＢＤ）、トリアゾール（ＴＡＺ）が用いられてもよい。
　プラズモン励起層２０５は、プラズモン励起層１０４と同様である。
　光学異方性層２０６は、光学異方性層１０５と同様である。ただし、光学異方性層２０６は透明導電材料で構成されることが望ましい。これは電子注入の効率が面内で均一化され、輝度の面内ばらつきが抑制されるためである。
　波数ベクトル変換層２０７は、波数ベクトル変換層１０７と同様である。
　なお、電子輸送層２０４とホール輸送層２０２の相対的な位置は、本実施形態におけるそれぞれの位置と反対に配置されてもよい。また、プラズモン励起層２０５の表面の一部を露出させ、その一部または全部に、プラズモン励起層２０５とは異なる材料によって形成された陰極が設けられてもよい。陰極、陽極としては、ＬＥＤ、有機ＥＬを構成する陰極、陽極が用いられてもよい。
　また、図１０は、本発明に係る発光素子２０の基本構成を示しており、発光素子２０を構成する各層の間に、例えばバッファ層や、更に別のホール輸送層、電子輸送層等の他の層が挿入される構成であってもよく、周知のＬＥＤ、有機ＥＬの構造を適用することができる。
　また、発光素子２０は、陽極２０８が発光層２０３の発光波長に対して光透過性の材料で構成される場合には、陽極２０８の下面に、発光層２０３からの光を反射する反射層（不図示）が設けられてよい。この構成の場合、反射層としては、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜、誘電体多層膜などが挙げられる。
（実施形態４）
　本実施形態の画像表示装置は、３板式の投射型表示装置（プロジェクタ）の一例である。図１１に、本実施形態のプロジェクタの構成を示す。図１１（ａ）は、本実施形態のプロジェクタの概略斜視図であり、図１１（ｂ）は、同プロジェクタの上面図である。
　図１１に示すように、本実施形態のプロジェクタ１００は、前記実施形態１ないし３のいずれかの光学素子または発光素子を組み合わせた３つの光源装置１ｒ、１ｇ、１ｂと、３つの液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂと、色合成光学素子５０３と、投射光学系５０４とを主要な構成要素として含む。光源装置１ｒおよび液晶パネル５０２ｒと、光源装置１ｇおよび液晶パネル５０２ｇと、光源装置１ｂおよび液晶パネル５０２ｂとが、それぞれ光路を形成している。
　光源装置１ｒ、１ｇ、１ｂは、それぞれ、赤（Ｒ）光用、緑（Ｇ）光用、および青（Ｂ）光用で異なる材料で構成されている。液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂは、前記光学素子からの出射光が入射され、表示させる画像に合わせて光の強度を変調する。色合成光学素子５０３は、液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂで変調された光を合成する。投射光学系５０４は、色合成光学素子５０３からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズを含む。
　プロジェクタ１００は、制御回路部（図示せず）により、前記光路ごとに前記液晶パネル上の像を変調させる。プロジェクタ１００は、前記実施形態１から３のいずれかの光学素子を備えることにより、投射映像の輝度を向上できる。また、前記光学素子が非常に高い指向性を示すため、例えば、照明光学系を使用することなく、小型化できる。
　図１１に示す本実施形態のプロジェクタは、３板型液晶プロジェクタであるが、本発明は、この例には限定されず、例えば、単板型液晶プロジェクタ等でもよい。また、本発明の画像表示装置は、前述のプロジェクタのみならず、液晶表示装置のバックライト、またはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）を使用したバックライトと組み合わせた画像表示装置でもよい。また、光を投射する照明装置であってもよい。
　前述のように、本発明の光学素子および発光素子は、高効率な高指向性放射を実現する。従って、本発明の光学素子または発光素子を使用した画像表示装置は、プロジェクタ等として使用できる。前記プロジェクタは、例えば、モバイルプロジェクタ、次世代リアプロジェクションＴＶ（ｒｅａｒ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ＴＶ）、デジタルシネマ、網膜走査ディスプレイ（ＲＳＤ：Ｒｅｔｉｎａｌ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｄｉｓｐｌａｙ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ　Ｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ）、携帯電話、デジタルカメラ、またはノートパソコン等への組込型プロジェクタ（ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）等があげられ、幅広い市場に対する応用が可能である。ただし、その用途は限定されず、広い分野に適用可能である。また、光を投射する照明装置にも適用可能である。例えば、照明器具や、バックライトやＰＤＡ（Personal　Digital　Assistant）などの直視型表示装置に応用してもよい。
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
　上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載しうるが、以下には限定されない。
（付記１）
表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、
前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子。
（付記２）
発光素子である付記１記載の光学素子。
（付記３）
前記光学異方性層が、一軸性の光学異方性を有する付記１または２記載の光学素子。
（付記４）
前記光学異方性層が、二軸性の光学異方性を有し、
前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜している付記１または２記載の光学素子。
（付記５）
前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向である、付記４記載の光学素子。
（付記６）
さらに、前記出射層の上側に反射型偏光子を有する付記１から５のいずれかに記載の光学素子。
（付記７）
付記１から６のいずれかに記載の光学素子と、
光投射部とを含み、
前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能である、照明装置。
（付記８）
さらに、前記光投射部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、付記７記載の照明装置。
（付記９）
前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投射部からの出射光の方向とは異なる方向に配置されている、付記７または８記載の照明装置。
（付記１０）
付記１から６のいずれかに記載の光学素子と、
画像表示部とを含み、
前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である、画像表示装置。
（付記１１）
さらに、前記画像表示部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、付記１０記載の画像表示装置。
（付記１２）
前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投射部からの出射光の方向とは異なる方向に配置されている、付記１０または１１記載の画像表示装置。
（付記１３）
付記１から６のいずれかに記載の光学素子において、
前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、
前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する、付記１から６のいずれかに記載の光学素子の作動方法。
（付記１４）
付記１３記載の作動方法により、付記１から６のいずれかに記載の光学素子から光を放出させ、
前記光学素子から前記光投射部に前記光を入射させ、前記光投射部から光を出射させることにより、光を投射させる、付記７から９のいずれかに記載の照明装置の作動方法。
（付記１５）
前記照明装置が、付記８記載の照明装置であり、
さらに、前記光投射部からの出射光により前記投射光学系に投射映像を投射させる、付記１４記載の作動方法。
（付記１６）
付記１３記載の作動方法により、付記１から６のいずれかに記載の光学素子から光を放出させ、
前記光学素子から前記画像表示部に前記光を入射させ、前記画像表示部から光が出射させることにより、画像を表示させる、付記１０から１２のいずれかに記載の画像表示装置の作動方法。
（付記１７）
前記画像表示装置が、付記１１記載の画像表示装置であり、
さらに、前記画像表示部からの出射光により前記投射光学系に投射映像を投射させる、付記１６記載の作動方法。
　この出願は、２０１２年７月３１日に出願された日本出願特願２０１２－１７０６８４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１、１ｒ、１ｇ、１ｂ　光源装置
１０、５０　光学素子
２０　発光素子
１００　ＬＥＤプロジェクタ（画像表示装置）
１０２、２０３　発光層
１０３、１０６　誘電体層
１０４、２０５　プラズモン励起層
１０５、２０６　光学異方性層
１０７、２０７　波数ベクトル変換層
２０１ａ、２０１ｂ　発光素子
２０２　ホール輸送層
２０４　電子輸送層
２１０　反射型偏光子
５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂ　液晶パネル
５０３　色合成光学素子
５０４　投射光学系

Claims (10)

  1. 表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層と、
    前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
    さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、
    前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子。
  2. 発光素子である請求項１記載の光学素子。
  3. 前記光学異方性層が、一軸性の光学異方性を有する請求項１または２記載の光学素子。
  4. 前記光学異方性層が、二軸性の光学異方性を有し、
    前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜しており、かつ、
    前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向である、請求項１または２記載の光学素子。
  5. さらに、前記出射層の上側に反射型偏光子を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の光学素子。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子と、
    光投射部と、
    投射光学系とを含み、
    前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能であり、
    前記投射光学系は、前記光投射部からの出射光により投射映像を投射する照明装置。
  7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子と、
    画像表示部とを含み、
    前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である、画像表示装置。
  8. さらに、前記画像表示部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、請求項７記載の画像表示装置。
  9. 前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投射部からの出射光の方向とは異なる方向に配置されている、請求項７または８記載の画像表示装置。
  10. 請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子において、
    前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、
    前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子の作動方法。
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