光学装置、光源以及投影型显示装置的利记博彩app

专利名称：光学装置、光源以及投影型显示装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种使用表面等离激元(surface plasmon)的光学装置、光源以及投
影型显示装置。
背景技术：
近年来，表面等离激元已经在诸如光源装置以及传感装置的各领域不断普及(参考专利文献I至3以及非专利文献I和2)。表面等离激元是在金属中振动的自由电子集团。表面等离激元在金属表面上与光发生相互作用而受激。本专利申请的发明人已经在日本专利申请N0.2009-227331和日本专利申请N0.2010-047944 (申请时并未公开)中提出等离激元耦合和发射装置，其是使用表面等离激元的光学装置，以便提供具有高亮度和高方向性的光源装置。在等离激元耦合和发射装置中，依次层叠荧光体层、金属层以及出射层。在荧光体层中，从发光装置发射的入射光导致产生荧光。荧光与金属层中包含的自由电子耦合。因此，表面等离激元在金属表面上激发。在出射层中，表面等离激元被转换成具有预定出射角的光。具有预定出射角的光从出射层中出射。在以上述日本专利申请N0.2009-227331和日本专利申请N0.2010-047944中公开的内容作为参考的现有技术中，调整载流子产生层和出射层的介电常数以便提高荧光和表面等离激元的耦合效率。因此，大幅提升了等离激元耦合和发射装置的效率和亮度。现有技术文献专利文献专利文献I JP2004-156911A，公开文本专利文献2 JP2005-524084A,公开文本(翻译版本)专利文献3 JP2006-313667A,公开文本非专利文献非专利文献I:NAN0 LETT.，第 5 卷，第 8 期，第 1557-1561 页(2005)非专利文献2 J.0pt.Soc.Am.B，第 23 卷，第 8 期，第 1674-1678 页(2006)

发明内容
本发明解决的问题如果突光和表面等尚激兀的I禹合效率被进一步提闻，则可以进一步大幅提升等尚激元耦合和发射装置的效率和亮度。本专利申请的发明人等进行的模拟揭示由金属层的荧光体层侧上的前表面产生的IOnm至几十nm范围内的荧光最有效地与表面等离激元耦合。因此，如果荧光体层的膜厚被设定为约几十nm，则可以进一步大幅提高荧光和表面等离激元的耦合效率。但是，因为通常的荧光体材料的消光系数不是很高，因此具有约几十nm膜厚的荧光体层不能充分吸收入射光。因此，入射光转换成荧光的荧光转换效率变得较低。因此，如果荧光体层的膜厚被设定为约几十nm，则虽然荧光和表面等离激元的耦合效率提高，但是荧光体层的荧光转换效率将变得更低。因此，不能期待进一步提升等离激元耦合和发射装置的效率和亮度。本发明的一个目的是提供一种可以进一步大幅提升效率和亮度的光学装置、光源装置以及投影型显示装置。解决问题的手段根据本发明的光学装置包括:荧光体层，其利用入射光产生荧光；等离激元激发层，其利用所述荧光激发第一表面等离激元，所述等离激元激发层层叠在所述荧光体层上；以及，出射部，其将在等离激元激发层的所述荧光体层相接触表面的相反面上产生的所述第一表面等离激元或光提取至外部，其中所述荧光体层包含利用所述入射光激发第二表面等离激元的金属颗粒。根据本发明的光源装置包括所述光学装置；以及将光发射至所述光学装置的发光
装直。根据本发明的投影型显示装置包括:所述光源装置；调制装置，其调制从所述光源装置发射的光并发射所调制的光；以及投影光学系统，其投影从所述调制装置发射的光以便显示对应于所调制的光的图像。本发明的效果根据本发明可以进一步大幅提升效率和亮度。


图1是示意性示出根据本发明第一示例性实施例的光学装置的结构的透视图。图2是示出在金属(Ag)表面与激发体之间的距离与耦合效率之间关系的示意图。图3是示出在金属(Au)表面与激发体之间的距离与耦合效率之间关系的示意图。图4是示意性示出根据本发明的第二示例性实施例的光学装置的结构的透视图。图5是说明在根据本发明第二示例性实施例的光源装置中光怎样行动的截面图。图6是示出根据本发明第二示例性实施例的光源装置的方向性控制层的示意图。图7是示出根据本发明第三示例性实施例的光源装置的方向性控制层的示意图。图8是示出根据本发明第四示例性实施例的光源装置的方向性控制层的示意图。图9是示出根据本发明第五示例性实施例的光源装置的方向性控制层的示意图。图10是示出根据本发明第六实施例的投影型显示装置的示意图。图11是表示在金属颗粒的材料是Al的情况下，在光学装置的各个参数和等离激元共振波长之间关系的轮廓线图。图12是表示在金属颗粒的材料是Al的情况下，在光学装置的各个参数和光吸收效率之间关系的轮廓线图。图13是表示在金属颗粒的材料是Ag的情况下，在光学装置的各个参数和等离激元共振波长之间关系的轮廓线图。图14是表示在金属颗粒的材料是Ag的情况下，在光学装置的各个参数和光吸收效率之间关系的轮廓线图。图15是表示在金属颗粒的材料是Au的情况下，在光学装置的各个参数和等离激元共振波长之间关系的轮廓线图。图16是表示在金属颗粒的材料是Au的情况下，在光学装置的各个参数和光吸收效率之间关系的轮廓线图。
具体实施例方式以下将参考

本发明的示例性实施例。在以下说明书中，具有类似功能的类似部分由类似的附图标记表示并将省略其说明。(第一示例性实施例)图1是示意性示出根据本发明第一示例性实施例的光学装置的结构的透视图。因为光学装置的各个层都非常薄且它们的厚度显著不同，因此难以图示各个层的精确尺寸。因此附图并未示出各个层的精确尺寸，而是将其示意性地图示。如图1中所示，根据第一示例性实施例的光学装置I具有光进入的载流子产生层11 ;层叠在载流子产生层11上的等离激元激发层12 ;以及层叠在等离激元激发层12上的波数矢量转换层13。载流子产生层11是吸收部分入射光并产生致使产生荧光的载流子(激发体)的荧光体层。载流子产生层11例如由诸如罗丹明(rhodamine) 6G或硫代罗丹明(sulforhodamine)101 的有机突光体；诸如 Y202S:Eu、BaMgAlxOy:Eu 或 BaMgAlxOy:Mn 的无机荧光体；诸如CdSe或CdSe/ZnS量子点的量子点荧光体；诸如GaN或GaAs的无机材料(半导体);或诸如(噻吩/亚苯基)共低聚物或Alq3的有机材料(半导体材料)制成。载流子产生层11中可以包含具有相同发光频率或不同发光频率的多个荧光体。载流子产生层11的厚度优选为Iym以下。此外，载流子产生层11包含金属颗粒14，金属颗粒14致使提高入射光的表观吸收率。在本文中，表观吸收率是在假设载流子产生层11是均质层的情况下，在致使光进入其中散布了金属颗粒14的载流子产生层11的整个表面时测量的吸收率。当金属颗粒14与入射光相互作用时，在金属颗粒14的前表面上激发表面等离激元，且因此在金属颗粒14的前表面附近引发比入射光的电场强度大约100倍的增强电场。因为该增强电场致使在载流子产生层11中产生载流子，因此增加了载流子产生层11中产生的载流子数量。因此，金属颗粒14致使入射光的表观吸收率随它们的前表面上激发的表面等离激元而增大，且因此致使荧光强度提高。金属颗粒14的材料的实例包括金、银、铜、钼、钮、错、锇、钌、铱、铁、锡、锌、钴、镍、
铬、钛、钽、钨、铟、铝及其合金。其中，金属颗粒14的材料优选是金、银、铜、钼、铝或包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。金属颗粒14的材料更优选为金、银、铝或包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。替代地，金属颗粒14的材料可以具有:中心的金属类型不同于其附近的金属类型的核-壳结构、组合两种类型的半球的半球组合结构、或颗粒由不同类型的簇制成的簇-簇(cluster-1n-cluster)结构。如果金属颗粒14由合金制成或具有特殊结构，则可以在不需要改变颗粒的尺寸和形状的情况下控制等离激元共振波长。金属颗粒14可以被形成为任何形状，诸如长方体、立方体、椭圆体、球体、三棱锥或三棱柱，只要金属颗粒14具有封闭形状即可。此外，金属颗粒14包括如下结构:根据由半导体光刻技术代表的微机械加工技术，金属薄膜由每个均具有小于10 μ m长度的封闭表面组成。等离激元激发层12是由具有比在载流子产生层11中产生的荧光的频率(发光频率)高的等离子体频率的金属材料制成的颗粒层或薄膜层。换言之，等离激元激发层12是在载流子产生层11中产生的荧光的发光频率下具有负介电常数的颗粒层或薄膜层。等离激元激发层12借助在载流子产生层11中产生的荧光在其前表面上激发表面等离激元。在等离激元激发层12的前表面上激发的表面等离激元例如为第一表面等离激元，而在金属颗粒14的前表面上激发的表面等离激元例如为第二表面等离激元。等离激元激发层12的材料实例包括金、银、铜、钼、钮、错、锇、钌、铱、铁、锡、锌、钴、镍、铬、钛、钽、钨、铟、铝及其合金。其中，等离激元激发层12的材料优选是金、银、铝或包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。金属颗粒14的材料更优选为金、银、铝或包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。等离激元激发层12优选形成为200nm以下的厚度。等离激元激发层12更优选形成为具有在IOnm至IOOnm范围内的厚度。波数矢量转换层13是出射部，其将在等离激元激发层12和波数矢量转换层13的界面上激发的表面等离激元的波数矢量转换成光并从等离激元激发层12和波数矢量转换层13的界面提取光，以便从光学装置I发射光、换言之，波数矢量转换层13将表面等离激元转换成具有预定出射角的光，以便光学装置I以预定出射角发射光。即，波数矢量转换层13使光学装置I在大致与等离激元激发层12和波数矢量转换层13的界面正交的方向上发射光。波数数量转换层13的实例包括表面起伏格栅；由光子晶体代表的周期结构或准周期结构；具有比从光学装置I发射的光的波长大的波长的纹理结构；不均匀表面结构；全息结构以及微透镜阵列。准周期结构表示周期结构部分缺失的不完全周期结构。其中优选采用由光子晶体代表的周期结构、准周期结构或微透镜阵列。它们不仅能提高光提取效率，而且也能控制方向性。如果采用光子晶体，则优选采用三角格栅晶体结构。波数矢量转换层13可以以在平面基板上形成凸部的形式形成。以下将详细说明金属颗粒14以及它们的布置。图2和图3示出在没有金属颗粒14的情况下，基于接触等离激元激发层12的介电层(在本示例性实施例中为载流子产生层11)的各个介电常数ε d，在从金属表面到激发体的距离与等离激元耦合效率之间的关系。从金属表面到激发体的距离是从在载流子产生层11中产生的载流子到载流子产生层11和等离激元激发层12的界面的距离。另一方面，等离激元耦合效率是利用载流子产生的荧光与在等离激元激发层12中激发的表面等离激元的耦合效率。图2中，等离激元激发层12是Ag。图3中，等离激元激发层12是Au。在图2和图3中，荧光的波长是530nm。如图2和3中所示，等离激元耦合效率的峰值与介电常数ε d成正比且与耦合效率的半最大处全宽成反比。为了提高光学装置I的效率，需要介电常数ed相对较大且需要载流子产生层11在耦合效率高的区域中吸收光。在这种情况下，载流子产生层11吸收光的区域的宽度(从金属表面到激发体的距离)优选为几十nm的量级。
但是具有典型消光系数的荧光体不能在几十nm量级的狭窄区域中完全吸收光。假设荧光体的消光系数是0.2且要被吸收的光的波长是405nm，则需要荧光体的膜厚为约160nmo为了解决该问题，根据本示例性实施例，载流子产生层11包含金属颗粒14，以便使用在金属颗粒14中产生的表面等离激元的场增强效应提高在耦合效率高的区域中的吸收率。为了在金属颗粒14的前表面上产生表面等离激元，需要金属颗粒14的半径充分小于进入载流子产生层11的光的波长。例如，如果可见光进入载流子产生层11，则金属颗粒的半径优选处于几nm至几十nm的范围内。而且，假设载流子产生层11的厚度约为Iy m，则因为耦合效率高的区域的宽度为几十nm的量级，因此金属颗粒13在离开载流子产生层11的中心的等离激元激发层12侧区域中的浓度优选大于离开载流子产生层11的中心的等离激元激发层12的相反侧区域中的浓度。此外，金属颗粒14优选地仅散布在离开载流子产生层11的中心的等离激元激发层12侧的区域中。例如，假设金属颗粒14的半径处于几nm至几十nm范围内，则存在金属颗粒14的区域优选限制在离载流子产生层11和等离激元激发层12的界面5nm加上金属颗粒14的半径的一半至IOOnm的范围内。众所周知，如果金属颗粒是周期性布置的，则表面等离激元具有强场增强效应，且因此进一步强化电场。因此，优选的是调整金属颗粒的间隔以使它们被周期性布置。如上所述，根据本示例性实施例，载流子产生层11包含利用入射光激发表面等离激元的金属颗粒14。在金属颗粒14上激发的表面等离激元提高了荧光的强度。因此，因为可以提闻载流子广生层11的突光转换效率，因此可以大幅提升效率和売度。此外，根据本示例性实施例，金属颗粒14散布在载流子产生层11的等离激元激发层12侧。因此，可以提闻在I禹合效率闻的区域中的吸收率。因此，可以提闻突光和表面等离激元的耦合效率。从而可以进一步大幅提升效率和亮度。(第二示例性实施例)以下将示例根据本发明第二示例性实施例的具有光学装置I的光源装置。图4是示意性示出根据本示例性实施例的光源装置的结构的透视图。图5是说明在根据本示例性实施例的光源装置中光怎样行动的截面图。如图4和图5中所示，根据本示例性实施例的光源装置100具有多个发光装置101(IOla至IOln)以及光学装置102，从发光装置101发射的光进入光学装置102。光学装置102具有光导21以及方向性控制层22，从发光装置101发射的光进入光导21，方向性控制层22将光导21出射的光发射到外部。根据本示例性实施例，发光装置IOla至IOln以预定间隔布置在平面光导21的四个侧面上。发光装置IOla至IOln连接到上述侧面的表面被称为光入射表面23。发光装置101例如是发射具有载流子产生层11能够吸收的波长的光的发光二极管(LED)、激光二极管、超亮二极管等等。发光装置101可以位于离开光导21的光入射表面23的位置。例如，发光装置101可以使用诸如光导管的光导部件光学连接至光导21。根据本示例性实施例，光导21形成为平面形状。但是，光导21的形状不限于平面形状。光导21可以具有控制光强分布特性的结构，诸如微棱镜。反射膜(未示出)可以整个或部分地形成在光导21的除光出射部24和光入射表面23之外的外周表面上。同样，反射膜(未示出)可以整个或部分地形成在光源装置100的除光出射部24和光入射表面23之外的外周表面上。反射膜例如可以由诸如银或铝的金属材料或者介电层叠膜制成。方向性控制层22是用作提高从光源装置100发射的光的方向性的层。如图6中所示，方向性控制层22具有与图1中所示的光学装置I相同的结构。在图6中，载流子产生层11直接位于光导21上面。虽然波数矢量转换层13直接位于等离激元激发层12上面，但厚度小于I μ m的介电层可以被插入在波数矢量转换层13和等离激元激发层12之间。等离激元激发层12被夹在每个均具有介电性的两层之间。根据本示例性实施例，这两层对应于载流子产生层11以及波数矢量转换层13。根据本示例性实施例的光学装置102被构造为使得包括层叠在等离激元激发层12的光导21侧上的整个结构的入射侧部分(以下简称为入射侧部分)的有效介电常数大于包括层叠在等离激元激发层12的波数矢量转换层13侧上的整个结构以及接触波数矢量转换层13的介质(例如空气)的出射侧部分(以下简称为出射侧部分)的有效介电常数。层叠在等离激元激发层12的光导21侧上的整个结构包括光导21。层叠在等离激元激发层12的波数矢量转换层13侧上的整个结构包括波数矢量转换层13。换言之，根据第一示例性实施例，等离激元激发层12的包括了光导21和载流子产生层11的入射侧部分的有效介电常数大于等离激元激发层12的包括波数矢量转换层13和介质的出射侧部分的有效介电常数。在这种情况下，在荧光体层11接触等离激元激发层12表面的相反侧表面上产生表面等离激元。更具体而言，等离激元激发层12的入射侧部分(发光装置101侧)的复数有效介电常数的实部设定为大 于等离激元激发层12的出射侧部分(波数矢量转换层13侧)的复数有效介电常数的实部。假设平行于等离激元激发层12的界面的方向由X和y轴表示；垂直于等离激元激发层12的界面的方向由z轴表示；从载流子产生层11发射的荧光的角频率由ω表示；等离激元激发层12的入射侧部分和出射侧部分处的介电质的介电常数分布由ε (ω,χ, y, z)表示；表面等离激元的波数的z分量由kspp，z表示；并且虚数单位由j表示，则复数有效介电常数εε 可以被表达如下。数学表达式1
权利要求
1.一种光学装置，包括: 荧光体层，所述荧光体层利用入射光致使产生荧光； 等离激元激发层，所述等离激元激发层利用所述荧光激发第一表面等离激元，所述等离激元激发层层叠在所述荧光体层上；以及 出射部，所述出射部将在所述等离激元激发层的所述荧光体层相接触表面的相反表面上产生的所述第一表面等离激元或光发射至外部作为出射光， 其中所述荧光体层包含利用所述入射光激发第二表面等离激元的金属颗粒。
2.根据权利要求1中所述的光学装置， 其中，在离开所述荧光体层的中心的所述等离激元激发层侧区域中的所述金属颗粒的浓度大于在离开所述荧光体层的中心的所述等离激元激发层的相反侧区域中的浓度。
3.根据权利要求2中所述的光学装置， 其中，所述金属颗粒仅散布在离开所述荧光体层的中心的所述等离激元激发层侧区域中。
4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的光学装置， 其中，介电层形成在所述荧光体层和所述等离激元激发层之间和/或在所述出射部和所述等离激元激发层之间。
5.根据权利要求1至4中 的任何一项所述的光学装置， 其中，包括了层叠在所述等离激元激发层的所述荧光体层侧上的整个结构的入射侧部分的有效介电常数大于包括了层叠在所述等离激元激发层的所述出射部侧上的整个结构以及接触所述出射部的介质的出射侧部分的有效介电常数。
6.根据权利要求1至4中的任何一项所述的光学装置， 其中，包括了层叠在所述等离激元激发层的所述荧光体层侧上的整个结构的入射侧部分的有效介电常数低于包括了层叠在所述等离激元激发层的所述出射部侧上的整个结构以及接触所述出射部的介质的出射侧部分的有效介电常数。
7.根据权利要求5或6所述的光学装置， 其中，假设复数有效介电常数由表示；平行于所述等离激元激发层的界面的方向由X轴和I轴表示；垂直于所述等离激元激发层的界面的方向由z轴表示，所述入射侧部分和所述出射侧部分的介电质的介电常数的分布由ε (x，y，z)表示；积分范围D由所述入射侧部分或所述出射侧部分的三维坐标的范围表示；并且所述第一表面等离激元的波数的z分量由kspp，z表示，则所述有效介电常数满足下述公式: 数学表达式I
8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的光学装置， 其中，所述出射部是层叠在所述等离激元激发层上并将在所述等离激元激发层的所述荧光体层相接触表面的相反侧表面上产生的第二表面等离激元或光的波数矢量转换成光的波数矢量转换层。
9.根据权利要求1至4中的任何一项所述的光学装置， 其中，所述出射部具有形成在所述等离激元激发层上的周期结构。
10.根据权利要求1至9中的任何一项所述的光学装置，进一步包括: 光导，所述光导将从发光装置发射的光传播至所述荧光体层， 其中，所述荧光体层层叠在所述光导上。
11.根据权利要求1至10中的任何一项所述的光学装置， 其中所述金属颗粒由金、银、铝或包含它们中的任何一种的合金制成。
12.一种光源装置，包括: 根据权利要求1至11中的任何一项所述的光学装置；以及 发光装置，所述发光装置将光发射至所述光学装置。
13.一种投影型显示装置，包括: 根据权利要求12所述的光源装置； 调制装置，所述调制装置调制从所述光源装置发射的光并发射所调制的光；以及投影光学系统，所述投影光学系统投影从所述调制装置发射的光以便显示对应于所调制的光的图像。
全文摘要
提供一种具有提高的更高效率和更高亮度的光学装置。该光学装置(1)具有荧光体层(11)，用于通过入射光产生荧光；等离激元激发层(12)，用于通过该荧光激发第一表面等离激元；以及出射层(13)，用于将第一表面等离激元转换成光并且发射该光；这些层依次层叠在光学装置(1)上，其中，载流子产生层(11)具有通过该入射光激发第二表面等离激元的金属微颗粒。
文档编号H01L33/48GK103154804SQ20118004977
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月10日 优先权日2010年10月15日
发明者枣田昌尚, 富永慎, 今井雅雄 申请人:日本电气株式会社