專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)裝置、光源以及投影型顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用表面等離激元(surface plasmon)的光學(xué)裝置、光源以及投
影型顯示裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，表面等離激元已經(jīng)在諸如光源裝置以及傳感裝置的各領(lǐng)域不斷普及(參考專(zhuān)利文獻(xiàn)I至3以及非專(zhuān)利文獻(xiàn)I和2)。表面等離激元是在金屬中振動(dòng)的自由電子集團(tuán)。表面等離激元在金屬表面上與光發(fā)生相互作用而受激。本專(zhuān)利申請(qǐng)的發(fā)明人已經(jīng)在日本專(zhuān)利申請(qǐng)N0.2009-227331和日本專(zhuān)利申請(qǐng)N0.2010-047944 (申請(qǐng)時(shí)并未公開(kāi))中提出等離激元耦合和發(fā)射裝置，其是使用表面等離激元的光學(xué)裝置，以便提供具有高亮度和高方向性的光源裝置。在等離激元耦合和發(fā)射裝置中，依次層疊熒光體層、金屬層以及出射層。在熒光體層中，從發(fā)光裝置發(fā)射的入射光導(dǎo)致產(chǎn)生熒光。熒光與金屬層中包含的自由電子耦合。因此，表面等離激元在金屬表面上激發(fā)。在出射層中，表面等離激元被轉(zhuǎn)換成具有預(yù)定出射角的光。具有預(yù)定出射角的光從出射層中出射。在以上述日本專(zhuān)利申請(qǐng)N0.2009-227331和日本專(zhuān)利申請(qǐng)N0.2010-047944中公開(kāi)的內(nèi)容作為參考的現(xiàn)有技術(shù)中，調(diào)整載流子產(chǎn)生層和出射層的介電常數(shù)以便提高熒光和表面等離激元的耦合效率。因此，大幅提升了等離激元耦合和發(fā)射裝置的效率和亮度?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)I JP2004-156911A，公開(kāi)文本專(zhuān)利文獻(xiàn)2 JP2005-524084A,公開(kāi)文本(翻譯版本)專(zhuān)利文獻(xiàn)3 JP2006-313667A,公開(kāi)文本非專(zhuān)利文獻(xiàn)非專(zhuān)利文獻(xiàn)I:NAN0 LETT.，第 5 卷，第 8 期，第 1557-1561 頁(yè)(2005)非專(zhuān)利文獻(xiàn)2 J.0pt.Soc.Am.B，第 23 卷，第 8 期，第 1674-1678 頁(yè)(2006)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題如果突光和表面等尚激兀的I禹合效率被進(jìn)一步提聞，則可以進(jìn)一步大幅提升等尚激元耦合和發(fā)射裝置的效率和亮度。本專(zhuān)利申請(qǐng)的發(fā)明人等進(jìn)行的模擬揭示由金屬層的熒光體層側(cè)上的前表面產(chǎn)生的IOnm至幾十nm范圍內(nèi)的熒光最有效地與表面等離激元耦合。因此，如果熒光體層的膜厚被設(shè)定為約幾十nm，則可以進(jìn)一步大幅提高熒光和表面等離激元的耦合效率。但是，因?yàn)橥ǔ５臒晒怏w材料的消光系數(shù)不是很高，因此具有約幾十nm膜厚的熒光體層不能充分吸收入射光。因此，入射光轉(zhuǎn)換成熒光的熒光轉(zhuǎn)換效率變得較低。因此，如果熒光體層的膜厚被設(shè)定為約幾十nm，則雖然熒光和表面等離激元的耦合效率提高，但是熒光體層的熒光轉(zhuǎn)換效率將變得更低。因此，不能期待進(jìn)一步提升等離激元耦合和發(fā)射裝置的效率和亮度。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可以進(jìn)一步大幅提升效率和亮度的光學(xué)裝置、光源裝置以及投影型顯示裝置。解決問(wèn)題的手段根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置包括:熒光體層，其利用入射光產(chǎn)生熒光；等離激元激發(fā)層，其利用所述熒光激發(fā)第一表面等離激元，所述等離激元激發(fā)層層疊在所述熒光體層上；以及，出射部，其將在等離激元激發(fā)層的所述熒光體層相接觸表面的相反面上產(chǎn)生的所述第一表面等離激元或光提取至外部，其中所述熒光體層包含利用所述入射光激發(fā)第二表面等離激元的金屬顆粒。根據(jù)本發(fā)明的光源裝置包括所述光學(xué)裝置；以及將光發(fā)射至所述光學(xué)裝置的發(fā)光
裝直。根據(jù)本發(fā)明的投影型顯示裝置包括:所述光源裝置；調(diào)制裝置，其調(diào)制從所述光源裝置發(fā)射的光并發(fā)射所調(diào)制的光；以及投影光學(xué)系統(tǒng)，其投影從所述調(diào)制裝置發(fā)射的光以便顯示對(duì)應(yīng)于所調(diào)制的光的圖像。本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明可以進(jìn)一步大幅提升效率和亮度。


圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)的透視圖。圖2是示出在金屬(Ag)表面與激發(fā)體之間的距離與耦合效率之間關(guān)系的示意圖。圖3是示出在金屬(Au)表面與激發(fā)體之間的距離與耦合效率之間關(guān)系的示意圖。圖4是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)的透視圖。圖5是說(shuō)明在根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的光源裝置中光怎樣行動(dòng)的截面圖。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的光源裝置的方向性控制層的示意圖。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的光源裝置的方向性控制層的示意圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第四示例性實(shí)施例的光源裝置的方向性控制層的示意圖。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第五示例性實(shí)施例的光源裝置的方向性控制層的示意圖。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的投影型顯示裝置的示意圖。圖11是表示在金屬顆粒的材料是Al的情況下，在光學(xué)裝置的各個(gè)參數(shù)和等離激元共振波長(zhǎng)之間關(guān)系的輪廓線圖。圖12是表示在金屬顆粒的材料是Al的情況下，在光學(xué)裝置的各個(gè)參數(shù)和光吸收效率之間關(guān)系的輪廓線圖。圖13是表示在金屬顆粒的材料是Ag的情況下，在光學(xué)裝置的各個(gè)參數(shù)和等離激元共振波長(zhǎng)之間關(guān)系的輪廓線圖。圖14是表示在金屬顆粒的材料是Ag的情況下，在光學(xué)裝置的各個(gè)參數(shù)和光吸收效率之間關(guān)系的輪廓線圖。圖15是表示在金屬顆粒的材料是Au的情況下，在光學(xué)裝置的各個(gè)參數(shù)和等離激元共振波長(zhǎng)之間關(guān)系的輪廓線圖。圖16是表示在金屬顆粒的材料是Au的情況下，在光學(xué)裝置的各個(gè)參數(shù)和光吸收效率之間關(guān)系的輪廓線圖。
具體實(shí)施例方式以下將參考

本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在以下說(shuō)明書(shū)中，具有類(lèi)似功能的類(lèi)似部分由類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示并將省略其說(shuō)明。(第一示例性實(shí)施例)圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)的透視圖。因?yàn)楣鈱W(xué)裝置的各個(gè)層都非常薄且它們的厚度顯著不同，因此難以圖示各個(gè)層的精確尺寸。因此附圖并未示出各個(gè)層的精確尺寸，而是將其示意性地圖示。如圖1中所示，根據(jù)第一示例性實(shí)施例的光學(xué)裝置I具有光進(jìn)入的載流子產(chǎn)生層11 ;層疊在載流子產(chǎn)生層11上的等離激元激發(fā)層12 ;以及層疊在等離激元激發(fā)層12上的波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13。載流子產(chǎn)生層11是吸收部分入射光并產(chǎn)生致使產(chǎn)生熒光的載流子(激發(fā)體)的熒光體層。載流子產(chǎn)生層11例如由諸如羅丹明(rhodamine) 6G或硫代羅丹明(sulforhodamine)101 的有機(jī)突光體；諸如 Y202S:Eu、BaMgAlxOy:Eu 或 BaMgAlxOy:Mn 的無(wú)機(jī)熒光體；諸如CdSe或CdSe/ZnS量子點(diǎn)的量子點(diǎn)熒光體；諸如GaN或GaAs的無(wú)機(jī)材料(半導(dǎo)體);或諸如(噻吩/亞苯基)共低聚物或Alq3的有機(jī)材料(半導(dǎo)體材料)制成。載流子產(chǎn)生層11中可以包含具有相同發(fā)光頻率或不同發(fā)光頻率的多個(gè)熒光體。載流子產(chǎn)生層11的厚度優(yōu)選為Iym以下。此外，載流子產(chǎn)生層11包含金屬顆粒14，金屬顆粒14致使提高入射光的表觀吸收率。在本文中，表觀吸收率是在假設(shè)載流子產(chǎn)生層11是均質(zhì)層的情況下，在致使光進(jìn)入其中散布了金屬顆粒14的載流子產(chǎn)生層11的整個(gè)表面時(shí)測(cè)量的吸收率。當(dāng)金屬顆粒14與入射光相互作用時(shí)，在金屬顆粒14的前表面上激發(fā)表面等離激元，且因此在金屬顆粒14的前表面附近引發(fā)比入射光的電場(chǎng)強(qiáng)度大約100倍的增強(qiáng)電場(chǎng)。因?yàn)樵撛鰪?qiáng)電場(chǎng)致使在載流子產(chǎn)生層11中產(chǎn)生載流子，因此增加了載流子產(chǎn)生層11中產(chǎn)生的載流子數(shù)量。因此，金屬顆粒14致使入射光的表觀吸收率隨它們的前表面上激發(fā)的表面等離激元而增大，且因此致使熒光強(qiáng)度提高。金屬顆粒14的材料的實(shí)例包括金、銀、銅、鉬、鈕、錯(cuò)、鋨、釕、銥、鐵、錫、鋅、鈷、鎳、
鉻、鈦、鉭、鎢、銦、鋁及其合金。其中，金屬顆粒14的材料優(yōu)選是金、銀、銅、鉬、鋁或包含這些金屬中的一種作為主要成分的合金。金屬顆粒14的材料更優(yōu)選為金、銀、鋁或包含這些金屬中的一種作為主要成分的合金。替代地，金屬顆粒14的材料可以具有:中心的金屬類(lèi)型不同于其附近的金屬類(lèi)型的核-殼結(jié)構(gòu)、組合兩種類(lèi)型的半球的半球組合結(jié)構(gòu)、或顆粒由不同類(lèi)型的簇制成的簇-簇(cluster-1n-cluster)結(jié)構(gòu)。如果金屬顆粒14由合金制成或具有特殊結(jié)構(gòu)，則可以在不需要改變顆粒的尺寸和形狀的情況下控制等離激元共振波長(zhǎng)。金屬顆粒14可以被形成為任何形狀，諸如長(zhǎng)方體、立方體、橢圓體、球體、三棱錐或三棱柱，只要金屬顆粒14具有封閉形狀即可。此外，金屬顆粒14包括如下結(jié)構(gòu):根據(jù)由半導(dǎo)體光刻技術(shù)代表的微機(jī)械加工技術(shù)，金屬薄膜由每個(gè)均具有小于10 μ m長(zhǎng)度的封閉表面組成。等離激元激發(fā)層12是由具有比在載流子產(chǎn)生層11中產(chǎn)生的熒光的頻率(發(fā)光頻率)高的等離子體頻率的金屬材料制成的顆粒層或薄膜層。換言之，等離激元激發(fā)層12是在載流子產(chǎn)生層11中產(chǎn)生的熒光的發(fā)光頻率下具有負(fù)介電常數(shù)的顆粒層或薄膜層。等離激元激發(fā)層12借助在載流子產(chǎn)生層11中產(chǎn)生的熒光在其前表面上激發(fā)表面等離激元。在等離激元激發(fā)層12的前表面上激發(fā)的表面等離激元例如為第一表面等離激元，而在金屬顆粒14的前表面上激發(fā)的表面等離激元例如為第二表面等離激元。等離激元激發(fā)層12的材料實(shí)例包括金、銀、銅、鉬、鈕、錯(cuò)、鋨、釕、銥、鐵、錫、鋅、鈷、鎳、鉻、鈦、鉭、鎢、銦、鋁及其合金。其中，等離激元激發(fā)層12的材料優(yōu)選是金、銀、鋁或包含這些金屬中的一種作為主要成分的合金。金屬顆粒14的材料更優(yōu)選為金、銀、鋁或包含這些金屬中的一種作為主要成分的合金。等離激元激發(fā)層12優(yōu)選形成為200nm以下的厚度。等離激元激發(fā)層12更優(yōu)選形成為具有在IOnm至IOOnm范圍內(nèi)的厚度。波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13是出射部，其將在等離激元激發(fā)層12和波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13的界面上激發(fā)的表面等離激元的波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換成光并從等離激元激發(fā)層12和波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13的界面提取光，以便從光學(xué)裝置I發(fā)射光、換言之，波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13將表面等離激元轉(zhuǎn)換成具有預(yù)定出射角的光，以便光學(xué)裝置I以預(yù)定出射角發(fā)射光。即，波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13使光學(xué)裝置I在大致與等離激元激發(fā)層12和波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13的界面正交的方向上發(fā)射光。波數(shù)數(shù)量轉(zhuǎn)換層13的實(shí)例包括表面起伏格柵；由光子晶體代表的周期結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)；具有比從光學(xué)裝置I發(fā)射的光的波長(zhǎng)大的波長(zhǎng)的紋理結(jié)構(gòu)；不均勻表面結(jié)構(gòu)；全息結(jié)構(gòu)以及微透鏡陣列。準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)表示周期結(jié)構(gòu)部分缺失的不完全周期結(jié)構(gòu)。其中優(yōu)選采用由光子晶體代表的周期結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)或微透鏡陣列。它們不僅能提高光提取效率，而且也能控制方向性。如果采用光子晶體，則優(yōu)選采用三角格柵晶體結(jié)構(gòu)。波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13可以以在平面基板上形成凸部的形式形成。以下將詳細(xì)說(shuō)明金屬顆粒14以及它們的布置。圖2和圖3示出在沒(méi)有金屬顆粒14的情況下，基于接觸等離激元激發(fā)層12的介電層(在本示例性實(shí)施例中為載流子產(chǎn)生層11)的各個(gè)介電常數(shù)ε d，在從金屬表面到激發(fā)體的距離與等離激元耦合效率之間的關(guān)系。從金屬表面到激發(fā)體的距離是從在載流子產(chǎn)生層11中產(chǎn)生的載流子到載流子產(chǎn)生層11和等離激元激發(fā)層12的界面的距離。另一方面，等離激元耦合效率是利用載流子產(chǎn)生的熒光與在等離激元激發(fā)層12中激發(fā)的表面等離激元的耦合效率。圖2中，等離激元激發(fā)層12是Ag。圖3中，等離激元激發(fā)層12是Au。在圖2和圖3中，熒光的波長(zhǎng)是530nm。如圖2和3中所示，等離激元耦合效率的峰值與介電常數(shù)ε d成正比且與耦合效率的半最大處全寬成反比。為了提高光學(xué)裝置I的效率，需要介電常數(shù)ed相對(duì)較大且需要載流子產(chǎn)生層11在耦合效率高的區(qū)域中吸收光。在這種情況下，載流子產(chǎn)生層11吸收光的區(qū)域的寬度(從金屬表面到激發(fā)體的距離)優(yōu)選為幾十nm的量級(jí)。
但是具有典型消光系數(shù)的熒光體不能在幾十nm量級(jí)的狹窄區(qū)域中完全吸收光。假設(shè)熒光體的消光系數(shù)是0.2且要被吸收的光的波長(zhǎng)是405nm，則需要熒光體的膜厚為約160nmo為了解決該問(wèn)題，根據(jù)本示例性實(shí)施例，載流子產(chǎn)生層11包含金屬顆粒14，以便使用在金屬顆粒14中產(chǎn)生的表面等離激元的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)提高在耦合效率高的區(qū)域中的吸收率。為了在金屬顆粒14的前表面上產(chǎn)生表面等離激元，需要金屬顆粒14的半徑充分小于進(jìn)入載流子產(chǎn)生層11的光的波長(zhǎng)。例如，如果可見(jiàn)光進(jìn)入載流子產(chǎn)生層11，則金屬顆粒的半徑優(yōu)選處于幾nm至幾十nm的范圍內(nèi)。而且，假設(shè)載流子產(chǎn)生層11的厚度約為Iy m，則因?yàn)轳詈闲矢叩膮^(qū)域的寬度為幾十nm的量級(jí)，因此金屬顆粒13在離開(kāi)載流子產(chǎn)生層11的中心的等離激元激發(fā)層12側(cè)區(qū)域中的濃度優(yōu)選大于離開(kāi)載流子產(chǎn)生層11的中心的等離激元激發(fā)層12的相反側(cè)區(qū)域中的濃度。此外，金屬顆粒14優(yōu)選地僅散布在離開(kāi)載流子產(chǎn)生層11的中心的等離激元激發(fā)層12側(cè)的區(qū)域中。例如，假設(shè)金屬顆粒14的半徑處于幾nm至幾十nm范圍內(nèi)，則存在金屬顆粒14的區(qū)域優(yōu)選限制在離載流子產(chǎn)生層11和等離激元激發(fā)層12的界面5nm加上金屬顆粒14的半徑的一半至IOOnm的范圍內(nèi)。眾所周知，如果金屬顆粒是周期性布置的，則表面等離激元具有強(qiáng)場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，且因此進(jìn)一步強(qiáng)化電場(chǎng)。因此，優(yōu)選的是調(diào)整金屬顆粒的間隔以使它們被周期性布置。如上所述，根據(jù)本示例性實(shí)施例，載流子產(chǎn)生層11包含利用入射光激發(fā)表面等離激元的金屬顆粒14。在金屬顆粒14上激發(fā)的表面等離激元提高了熒光的強(qiáng)度。因此，因?yàn)榭梢蕴崧勢(shì)d流子廣生層11的突光轉(zhuǎn)換效率，因此可以大幅提升效率和売度。此外，根據(jù)本示例性實(shí)施例，金屬顆粒14散布在載流子產(chǎn)生層11的等離激元激發(fā)層12側(cè)。因此，可以提聞在I禹合效率聞的區(qū)域中的吸收率。因此，可以提聞突光和表面等離激元的耦合效率。從而可以進(jìn)一步大幅提升效率和亮度。(第二示例性實(shí)施例)以下將示例根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的具有光學(xué)裝置I的光源裝置。圖4是示意性示出根據(jù)本示例性實(shí)施例的光源裝置的結(jié)構(gòu)的透視圖。圖5是說(shuō)明在根據(jù)本示例性實(shí)施例的光源裝置中光怎樣行動(dòng)的截面圖。如圖4和圖5中所示，根據(jù)本示例性實(shí)施例的光源裝置100具有多個(gè)發(fā)光裝置101(IOla至IOln)以及光學(xué)裝置102，從發(fā)光裝置101發(fā)射的光進(jìn)入光學(xué)裝置102。光學(xué)裝置102具有光導(dǎo)21以及方向性控制層22，從發(fā)光裝置101發(fā)射的光進(jìn)入光導(dǎo)21，方向性控制層22將光導(dǎo)21出射的光發(fā)射到外部。根據(jù)本示例性實(shí)施例，發(fā)光裝置IOla至IOln以預(yù)定間隔布置在平面光導(dǎo)21的四個(gè)側(cè)面上。發(fā)光裝置IOla至IOln連接到上述側(cè)面的表面被稱(chēng)為光入射表面23。發(fā)光裝置101例如是發(fā)射具有載流子產(chǎn)生層11能夠吸收的波長(zhǎng)的光的發(fā)光二極管(LED)、激光二極管、超亮二極管等等。發(fā)光裝置101可以位于離開(kāi)光導(dǎo)21的光入射表面23的位置。例如，發(fā)光裝置101可以使用諸如光導(dǎo)管的光導(dǎo)部件光學(xué)連接至光導(dǎo)21。根據(jù)本示例性實(shí)施例，光導(dǎo)21形成為平面形狀。但是，光導(dǎo)21的形狀不限于平面形狀。光導(dǎo)21可以具有控制光強(qiáng)分布特性的結(jié)構(gòu)，諸如微棱鏡。反射膜(未示出)可以整個(gè)或部分地形成在光導(dǎo)21的除光出射部24和光入射表面23之外的外周表面上。同樣，反射膜(未示出)可以整個(gè)或部分地形成在光源裝置100的除光出射部24和光入射表面23之外的外周表面上。反射膜例如可以由諸如銀或鋁的金屬材料或者介電層疊膜制成。方向性控制層22是用作提高從光源裝置100發(fā)射的光的方向性的層。如圖6中所示，方向性控制層22具有與圖1中所示的光學(xué)裝置I相同的結(jié)構(gòu)。在圖6中，載流子產(chǎn)生層11直接位于光導(dǎo)21上面。雖然波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13直接位于等離激元激發(fā)層12上面，但厚度小于I μ m的介電層可以被插入在波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13和等離激元激發(fā)層12之間。等離激元激發(fā)層12被夾在每個(gè)均具有介電性的兩層之間。根據(jù)本示例性實(shí)施例，這兩層對(duì)應(yīng)于載流子產(chǎn)生層11以及波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13。根據(jù)本示例性實(shí)施例的光學(xué)裝置102被構(gòu)造為使得包括層疊在等離激元激發(fā)層12的光導(dǎo)21側(cè)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)的入射側(cè)部分(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為入射側(cè)部分)的有效介電常數(shù)大于包括層疊在等離激元激發(fā)層12的波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13側(cè)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)以及接觸波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13的介質(zhì)(例如空氣)的出射側(cè)部分(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為出射側(cè)部分)的有效介電常數(shù)。層疊在等離激元激發(fā)層12的光導(dǎo)21側(cè)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)包括光導(dǎo)21。層疊在等離激元激發(fā)層12的波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13側(cè)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)包括波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13。換言之，根據(jù)第一示例性實(shí)施例，等離激元激發(fā)層12的包括了光導(dǎo)21和載流子產(chǎn)生層11的入射側(cè)部分的有效介電常數(shù)大于等離激元激發(fā)層12的包括波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13和介質(zhì)的出射側(cè)部分的有效介電常數(shù)。在這種情況下，在熒光體層11接觸等離激元激發(fā)層12表面的相反側(cè)表面上產(chǎn)生表面等離激元。更具體而言，等離激元激發(fā)層12的入射側(cè)部分(發(fā)光裝置101側(cè))的復(fù)數(shù)有效介電常數(shù)的實(shí)部設(shè)定為大 于等離激元激發(fā)層12的出射側(cè)部分(波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層13側(cè))的復(fù)數(shù)有效介電常數(shù)的實(shí)部。假設(shè)平行于等離激元激發(fā)層12的界面的方向由X和y軸表示；垂直于等離激元激發(fā)層12的界面的方向由z軸表示；從載流子產(chǎn)生層11發(fā)射的熒光的角頻率由ω表示；等離激元激發(fā)層12的入射側(cè)部分和出射側(cè)部分處的介電質(zhì)的介電常數(shù)分布由ε (ω,χ, y, z)表示；表面等離激元的波數(shù)的z分量由kspp，z表示；并且虛數(shù)單位由j表示，則復(fù)數(shù)有效介電常數(shù)εε 可以被表達(dá)如下。數(shù)學(xué)表達(dá)式1
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包括: 熒光體層，所述熒光體層利用入射光致使產(chǎn)生熒光； 等離激元激發(fā)層，所述等離激元激發(fā)層利用所述熒光激發(fā)第一表面等離激元，所述等離激元激發(fā)層層疊在所述熒光體層上；以及 出射部，所述出射部將在所述等離激元激發(fā)層的所述熒光體層相接觸表面的相反表面上產(chǎn)生的所述第一表面等離激元或光發(fā)射至外部作為出射光， 其中所述熒光體層包含利用所述入射光激發(fā)第二表面等離激元的金屬顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)裝置， 其中，在離開(kāi)所述熒光體層的中心的所述等離激元激發(fā)層側(cè)區(qū)域中的所述金屬顆粒的濃度大于在離開(kāi)所述熒光體層的中心的所述等離激元激發(fā)層的相反側(cè)區(qū)域中的濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的光學(xué)裝置， 其中，所述金屬顆粒僅散布在離開(kāi)所述熒光體層的中心的所述等離激元激發(fā)層側(cè)區(qū)域中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置， 其中，介電層形成在所述熒光體層和所述等離激元激發(fā)層之間和/或在所述出射部和所述等離激元激發(fā)層之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中 的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置， 其中，包括了層疊在所述等離激元激發(fā)層的所述熒光體層側(cè)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)的入射側(cè)部分的有效介電常數(shù)大于包括了層疊在所述等離激元激發(fā)層的所述出射部側(cè)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)以及接觸所述出射部的介質(zhì)的出射側(cè)部分的有效介電常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置， 其中，包括了層疊在所述等離激元激發(fā)層的所述熒光體層側(cè)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)的入射側(cè)部分的有效介電常數(shù)低于包括了層疊在所述等離激元激發(fā)層的所述出射部側(cè)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)以及接觸所述出射部的介質(zhì)的出射側(cè)部分的有效介電常數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光學(xué)裝置， 其中，假設(shè)復(fù)數(shù)有效介電常數(shù)由表示；平行于所述等離激元激發(fā)層的界面的方向由X軸和I軸表示；垂直于所述等離激元激發(fā)層的界面的方向由z軸表示，所述入射側(cè)部分和所述出射側(cè)部分的介電質(zhì)的介電常數(shù)的分布由ε (x，y，z)表示；積分范圍D由所述入射側(cè)部分或所述出射側(cè)部分的三維坐標(biāo)的范圍表示；并且所述第一表面等離激元的波數(shù)的z分量由kspp，z表示，則所述有效介電常數(shù)滿足下述公式: 數(shù)學(xué)表達(dá)式I
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置， 其中，所述出射部是層疊在所述等離激元激發(fā)層上并將在所述等離激元激發(fā)層的所述熒光體層相接觸表面的相反側(cè)表面上產(chǎn)生的第二表面等離激元或光的波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換成光的波數(shù)矢量轉(zhuǎn)換層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置， 其中，所述出射部具有形成在所述等離激元激發(fā)層上的周期結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包括: 光導(dǎo)，所述光導(dǎo)將從發(fā)光裝置發(fā)射的光傳播至所述熒光體層， 其中，所述熒光體層層疊在所述光導(dǎo)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置， 其中所述金屬顆粒由金、銀、鋁或包含它們中的任何一種的合金制成。
12.一種光源裝置，包括: 根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置；以及 發(fā)光裝置，所述發(fā)光裝置將光發(fā)射至所述光學(xué)裝置。
13.一種投影型顯示裝置，包括: 根據(jù)權(quán)利要求12所述的光源裝置； 調(diào)制裝置，所述調(diào)制裝置調(diào)制從所述光源裝置發(fā)射的光并發(fā)射所調(diào)制的光；以及投影光學(xué)系統(tǒng)，所述投影光學(xué)系統(tǒng)投影從所述調(diào)制裝置發(fā)射的光以便顯示對(duì)應(yīng)于所調(diào)制的光的圖像。
全文摘要
提供一種具有提高的更高效率和更高亮度的光學(xué)裝置。該光學(xué)裝置(1)具有熒光體層(11)，用于通過(guò)入射光產(chǎn)生熒光；等離激元激發(fā)層(12)，用于通過(guò)該熒光激發(fā)第一表面等離激元；以及出射層(13)，用于將第一表面等離激元轉(zhuǎn)換成光并且發(fā)射該光；這些層依次層疊在光學(xué)裝置(1)上，其中，載流子產(chǎn)生層(11)具有通過(guò)該入射光激發(fā)第二表面等離激元的金屬微顆粒。
文檔編號(hào)H01L33/48GK103154804SQ20118004977
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者棗田昌尚, 富永慎, 今井雅雄 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社