光学元件、光源装置和投影显示装置

摘要

这里公开的光学元件具有：导光体（11）；表面等离子体激发装置（14），设置在导光体（11）的界面上并利用从导光体（11）输入的光中的特定偏振成分激发表面等离子体，该成分具有与导光体（11）的表面内的第一方向（y）正交的偏振方向；光产生装置，包括金属层（12）和覆盖层（13），并通过在金属层（12）与覆盖层（13）之间的界面中响应于由特定偏振成分借助于表面等离子体激发装置（14）激发的表面等离子体而产生的表面等离子体，来产生与特定偏振成分具有相同偏振成分的光。表面等离子体激发装置（14）包括多个突起部（14a），分别沿着第一方向（y）延伸并沿着与第一方向（y）正交的第二方向（x）周期性地布置。

权利要求

1.一种光学元件，包括：

导光体，来自光源的光入射到所述导光体上，所述导光体包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；

表面等离子体激发装置，其设置在所述导光体的第一表面上，在从所述导光体进入的光之中，所述表面等离子体激发装置允许由光的特定偏振成分激发出表面等离子体，所述特定偏振成分的偏振方向与所述第一表面内的第一方向正交；

光产生装置，其包括通过所述表面等离子体激发装置而设置在所述导光体的第一表面中的金属层，以及设置在所述金属层的与面向所述导光体的表面相反的表面上的覆盖层，并且，通过在所述金属层与所述覆盖层之间的界面中响应于在所述表面等离子体激发装置中由光的所述特定偏振成分激发的表面等离子体而产生的表面等离子体，所述光产生装置产生与所述特定偏振成分具有相同偏振成分的光；以及相位调制层，其设置在所述导光体内，并改变在所述导光体内传播的光的偏振方向，其中，所述表面等离子体激发装置是设置在所述导光体与所述金属层之间的界面中的多个突起部，所述多个突起部中的每个突起部沿着所述第一方向延伸并沿着与所述第一表面中的所述第一方向正交的第二方向周期地布置。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述光产生装置在所述覆盖层与所述金属层之间的界面中具有与所述表面等离子体激发装置相同的构造，所述覆盖层具有与所述导光体相同的介电常数。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述光产生装置包括低折射率层，所述低折射率层插入所述覆盖层与所述金属层之间的界面中并具有比所述覆盖层更低的折射率。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述覆盖层具有比所述导光体更低的折射率，所述金属层具有比所述覆盖层更薄的膜厚度。

5.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述金属层包括Ag。

6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置允许由红光的所述特定偏振成分激发表面等离子体，多个所述突起部在所述第二方向上的间隔在0.2μm到4.2μm的范围内。

7.根据权利要求5所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置允许由绿光的所述特定偏振成分激发表面等离子体，多个所述突起部在所述第二方向上的间隔在0.2μm到3.5μm的范围内。

8.根据权利要求5所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置允许由蓝光的所述特定偏振成分激发表面等离子体，多个所述突起部在所述第二方向上的间隔在

0.15μm到3.0μm的范围内。

9.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述金属层包括Au或Al。

10.根据权利要求1所述的光学元件，其中，在与所述第一方向正交的截面中，所述表面等离子体激发装置的所述突起部关于经过所述突起部的顶点并与所述第二方向正交的线对称。

11.根据权利要求10所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置的所述突起部具有与所述第一方向正交的矩形截面。

12.根据权利要求10所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置的所述突起部具有与所述第一方向正交的阶梯状截面。

13.根据权利要求10所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置的所述突起部具有与所述第一方向正交的正弦形截面。

14.根据权利要求10所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置的所述突起部具有与所述第一方向正交的等腰三角形截面。

15.根据权利要求1所述的光学元件，包括衍射装置，所述衍射装置将所述覆盖层内传播的光沿预定方向衍射，以输出所述光。

16.根据权利要求15所述的光学元件，其中，所述衍射装置是设置在所述覆盖层的出射表面上的多个结构，所述多个结构中的每个结构沿着所述第一方向延伸并沿着所述第二方向周期地布置。

17.根据权利要求15所述的光学元件，其中，所述衍射装置是全息图。

18.根据权利要求1所述的光学元件，其中，在与所述第一方向正交的截面中，所述表面等离子体激发装置的所述突起部关于经过所述突起部的顶点并与所述第二方向正交的线是不对称的。

19.根据权利要求18所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置的所述突起部具有与所述第一方向正交的锯齿截面。

20.根据权利要求18所述的光学元件，其中，所述表面等离子体激发装置的所述突起部具有与所述第一方向正交的阶梯状截面。

21.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述导光体的所述第二表面相对于所述第一表面倾斜。

22.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述导光体的所述第二表面具有与所述第一方向正交的锯齿截面。

23.根据权利要求1所述的光学元件，包括设置在所述导光体的所述第二表面上的反射层。

24.根据权利要求23所述的光学元件，其中，所述反射层包括对进入的光进行扩散和反射的扩散器。

25.根据权利要求23所述的光学元件，其中，所述相位调制层被插入所述导光体与所述反射层之间。

26.根据权利要求23所述的光学元件，还包括反射装置，所述反射装置被设置成覆盖所述导光体的除所述第一表面和所述第二表面之外的其他表面，所述反射装置包括入口，光通过所述入口进入所述导光体。

27.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述相位调制层是波片，所述波片对从其穿过的光施加相位差。

28.一种光源装置，包括：

根据权利要求1所述的光学元件；以及

设置在所述导光体外周的所述光源。

29.根据权利要求28所述的光源装置，其中，所述光源是固态光源。

30.一种投影显示装置，包括：

根据权利要求28所述的光源装置；

光调制元件，其按照图像信号对于从所述光源装置输出的光进行调制；以及投影光学系统，其投射由所述光调制元件调制的光。

说明书

光学元件、光源装置和投影显示装置

技术领域

[0001] 本发明涉及利用表面等离子体的光学元件、光源装置和投影显示装置。

背景技术

[0002] 近年来，已经提出了使用发光二极管（LED）作为光源的发光元件的投影显示装置（LED投影仪）。

[0003] LED投影仪需要具有高亮度的图像显示，为了该目的，关键的是使由光源的发光面积和发散角确定的集光率（etendue）不增大。即，为了利用来自光源的光作为投影光，有必要使得光源装置的发光面积与发射角的乘积小于显示元件的面积与由投影透镜的F数确定的接收角（立体角）的乘积。因此在使光投影到光调制元件的光学系统中，有必要通过加强输出光的方向性来改善来自光源的光的使用效率。

[0004] 另一方面，在使用诸如液晶面板的光调制元件来显示图像的LED投影仪中，因为液晶面板的偏振依赖性，有必要将特定偏振光投影到液晶面板上。因此，上述光学系统也有必要将来自LED光源的随机偏振光转换为特定偏振光并输出。

[0005] 对于这种光学系统，专利文献1公开了一种平面发光系统，其将来自LED光源的随机偏振光转换为特定偏振光并输出。

[0006] 该平面发光系统具有设置在导光板的出射侧上的偏振分离膜，该偏振分离膜是通过在具有低折射率的透明介质之间夹置金属薄膜来实现的。在该偏振分离膜中，金属薄膜的表面上由倏逝光来激发出表面等离子体，该倏逝光是在光从导光板（即，具有高透射率的透明介质）与具有低折射率的薄膜之间的界面上全反射时产生的。这样，能激发表面等离子体的光只有这样的光：该光具有与表面等离子体的传播方向平行的电场成分以及与在表面等离子体传播的界面两侧的介质的介电常数差异相对应的入射角。此外，入射侧和出射侧具有相同构造（透明介质具有高折射率，薄膜具有低折射率），这对于出射侧的表面等离子体的激发过程产生了相反作用，从而允许激发表面等离子体的线偏振光透射而其他偏振成分反射。以此方式，通过仅透射以预定入射角（该角度满足表面等离子体的激发条件）入射到金属层上的线偏振光，实现了具有改善的方向性的偏振光的输出。

[0007] 引文列表

[0008] 专利文献

[0009] 专利文献1：JP 2003-295183 A

发明内容

[0010] 要解决的技术问题

[0011] 当来自光源的光从导光板的一侧表面进入时，假设与导光板的上或下表面平行的表面是xy平面，那么光的一部分例如沿着x方向传播。然而，在以上平面发光系统中，为了改善从光源投射的光的使用效率，在导光板内引起包含角度变换的光的多次反射，从而光的一部分将会具有除了x方向之外的传播成分。因为这种光也可以激发表面等离子体，所以不仅在zx平面内，而且在绕与偏振分离膜正交的z轴中，会存在满足表面等离子体激发条件的无数个入射角。因此，穿过以上偏振分离膜的光在两个维度上延伸，导致了集光率增大，因而不能实现改善光的效率。

[0012] 另一方面，当在导光体中的多次反射光平行于zx平面传播并以预定入射角进入偏振分离膜时，那么由其激发的表面等离子体与x方向平行地传播，因此穿过上述偏振分离膜的光是线偏振光，具有与y方向垂直的偏振方向。然而，当多次反射光以所述预定入射角进入与除zx平面外的平面（例如，yz平面）平行的偏振分离膜时，表面等离子体也在y方向上被激发出来。因此，上述偏振分离膜是不利的，因为通过使与y方向平行的偏振成分也透射，输出光不是线偏振光。

[0013] 因此，本发明的一个目的是提供一种光学元件，其能够将来自光源的随机偏振光转换为特定偏振光并将其输出，而不增大集光率。

[0014] 解决问题的技术方案

[0015] 为了实现以上目的，根据本发明的一种光学元件包括：导光体，来自光源的光入射到导光体上，导光体包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；表面等离子体激发装置，其设置在导光体的第一表面上，在从导光体进入的光之中，表面等离子体激发装置允许光的特定偏振成分（其偏振方向与第一表面内的第一方向正交）激发出表面等离子体；光产生装置，其包括通过表面等离子体激发装置而设置在导光体的第一表面中的金属层，以及设置在金属层的与面向导光体的表面相反的表面上的覆盖层，并且，通过在金属层与覆盖层之间的界面中响应于在表面等离子体激发装置中由所述特定偏振成分激发的表面等离子体而产生的表面等离子体，光产生装置产生与所述特定偏振成分具有相同偏振成分的光；相位调制层，其设置在导光体内并改变在导光体内传播的光的偏振方向，其中，表面等离子体激发装置是设置在导光体与金属层之间的界面中的多个突起部，多个突起部中的每一个沿着第一方向延伸并沿着与第一表面中的第一方向正交的第二方向周期性地布置。

[0016] 本发明的技术效果

[0017] 本发明能够提供一种光学元件，其能够将来自光源的随机偏振光转换为沿着特定方向的偏振光并将其输出，而不增大集光率。

附图说明

[0018] 图1A是示意性地示出了根据第一实施例的光学元件的立体图；

[0019] 图1B是示意性地示出了图1A中的光学元件的截面图；

[0020] 图2A到图2D是示意性地示出了图1A中的第一衍射光栅的修改例的截面图；

[0021] 图3A的曲线图示出了当图1A中的第一衍射光栅的光栅常数被设置为L=0.2μm时，光的扩散关系和表面等离子体的扩散关系的计算结果；

[0022] 图3B的曲线图示出了当图1A中的第一衍射光栅的光栅常数被设置为L=0.15μm时，光的扩散关系和表面等离子体的扩散关系的计算结果；

[0023] 图4是示意性地示出了包括根据第一实施例的光学元件的投影显示装置的构造的示例的布局平面；

[0024] 图5是示意性地示出了根据第二实施例的光学元件的立体图；

[0025] 图6是示意性地示出了根据第三实施例的光学元件的立体图；

[0026] 图7是示意性地示出了根据第四实施例的光学元件的立体图；

[0027] 图8是示意性地示出了包括根据第四实施例的光学元件的投影显示装置的构造的示例的立体图；

[0028] 图9是示意性地示出了包括根据第四实施例的光学元件的投影显示装置的构造的另一个示例的立体图；

[0029] 图10A是示意性地示出了根据第五实施例的光学元件的立体图；

[0030] 图10B是示意性地示出了图10A中的光学元件的侧视图；

[0031] 图11A是示意性地示出了根据第六实施例的光学元件的立体图；

[0032] 图11B是示意性地示出了图11A中的光学元件的截面图；

[0033] 图12A是示意性地示出了根据第七实施例的光学元件的立体图；以及[0034] 图12B是示意性地示出了图12A中的光学元件的截面图。

[0035] 附图标记的说明

[0036] 1,41R,41G,41B,101R,101G,101B,201R,201G,201B LED光源

[0037] 10,20,30,40,50,60,70光学元件

[0038] 11,61,71导光体

[0039] 12,22,32金属层

[0040] 13,23,33,43,73覆盖层

[0041] 14,74第一衍射光栅

[0042] 14a,74a突起部

[0043] 15,75第二衍射光栅

[0044] 16,46衍射装置

[0045] 17λ/4波片

[0046] 18扩散反射层

[0047] 29低折射率层

[0048] 55扩散反射装置

[0049] 55a入口

[0050] 68镜面反射层

[0051] 102R,102G,102B,202液晶面板

[0052] 100,200LED投影仪

[0053] 104,204投影光学系统

具体实施方式

[0054] 现在，将会在下文中参照附图描述实施例。

[0055] [第一实施例]

[0056] 图1A和图1B示意性地示出了根据第一实施例的光学元件。图1A是示意性地示出了根据本实施例的光学元件的立体图。图1B是示意性地示出了根据本实施例的光学元件的截面图，并且示出了沿着传播平面取得的截面，在该传播平面中，光在导光体内伴随着多次反射而传播。在以下的描述中，如图1A和图1B所示，假设与导光体的上表面平行的平面（即，把光输出的光学元件的出射面）是xy平面，并且假设与出射面正交的方向是z方向。类似地，假设入射面是zx平面，假设具有与y方向平行的偏振方向的线偏振光是TE偏振光，并且假设具有与y方向垂直的偏振方向的线偏振光是TM偏振光。实际上，实际光学元件包括多个层，每个层都非常薄，并且多个层之间的厚度差较大，因此难以以精确的缩放和比例来示出每个层。因此，应当注意每个层不是按照实际比例示出，在附图中是示意性地绘制的。

[0057] 根据本实施例的光学元件10具有导光体11，来自LED光源1的光入射到导光体11上，在该导光体11的上表面（第一表面），设置了在从导光体11进入的光中沿着预定方向输出TM偏振光的装置。该装置包括金属层12、覆盖层13、第一衍射光栅14、第二衍射光栅15和衍射装置16。在导光体11的下表面（第二表面）那侧，设置了λ/4波片17和扩散反射层18；λ/4波片17作为波片（相位调制层），通过对从其穿过的光施加相位差来改变光的偏振方向；扩散反射层18包括对入射光进行扩散和反射的扩散器。在该实施例中，虽然λ/4波片17设置在导光体11的下表面侧，但是λ/4波片17可以是能够改变导光体11中传播的光的偏振方向的任何机构，并且也可以设置在导光体11的上表面侧或者中心部分。

[0058] 导光体11是由玻璃制成的板状构件，并且被构造为使得从LED光源1（例如设置在导光体11外周的固态光源）进入的光在导光体11内传播。导光体11的材料不局限于玻璃，并且可以是丙烯酸树脂，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。此外，在图1A和图1B中示出的实施例中，光学元件1被布置为与LED光源1分开，但也可以被布置为使得LED光源1与导光体11彼此接触。或者，LED光源1可以被构造为使得LED光从设置在外部的LED光源通过导光装置（例如杆状积分器(rod integrator)）进入导光体11。此外，在图1A和图1B中示出的实施例中，LED光被配置为与导光体11平行地从LED光源1进入，但是LED光也可以被配置为相对于导光体11倾斜进入。

[0059] 在导光体11的上表面上，设置了由Ag制成的金属层12以及由与导光体11具有相同介电常数的玻璃制成的覆盖层13。

[0060] 在金属层12与导光体11之间的界面中，设置了第一衍射光栅14，该光栅提供了沿着x方向（第二方向）周期性地布置的多个突起部14a，每个突起部沿着y方向（第一方向）延伸。该第一衍射光栅14用作表面等离子体激发装置，允许从在导光体11中传播的随机偏振光中由以预定入射角入射到金属层12上的光激发出表面等离子体。这将在下文中描述。

[0061] 在金属层12与覆盖层13之间的界面中，设置了与第一衍射光栅14具有相同构造的第二衍射光栅15。即，第二衍射光栅15的突起部15a具有与第一衍射光栅14的突起部14a相同的形状，并且多个突起部15a沿着x方向以与第一衍射光栅14的突起部14a相同的间隔周期性地布置。金属层12和覆盖层13（包括该第二衍射光栅15）用作光产生装置，从在第一衍射光栅14中产生的表面等离子体产生光。这将在下文中描述。

[0062] 在光学元件10的出射表面中，设置了衍射装置16。衍射装置16形成在覆盖层13的上表面上，并且沿着预定方向衍射由以上光产生装置输出的光，即，从覆盖层13向空气层输出的光。与第一和第二衍射光栅14、15类似，衍射装置16包括沿着x方向周期性地布置的多个结构，所述多个结构中的每一个被构造为沿着y方向延伸。

[0063] 下面将描述第一衍射光栅14允许表面等离子体由光激发以及由构成光产生装置的金属层12、覆盖层13和第二衍射光栅15利用表面等离子体产生光的原理，第一衍射光栅14是根据本实施例的表面等离子体激发装置。

[0064] 表面等离子体是在电介质材料与金属之间的界面中传播的电子的压缩波，并且其波数与角频率之间的分散关系由电介质材料和金属的介电常数确定。当该表面等离子体的分散关系符合电介质材料中存在的光的分散关系时，即，当电介质材料中的光的波数等于表面等离子体的波数时，由光激发表面等离子体。然而，当电介质材料与金属之间的界面是平坦的时，表面等离子体的分散关系一般不符合电介质材料中存在的光的分散关系。因此，不能仅通过使来自电介质材料的光进入金属而激发表面等离子体。

[0065] 为了由入射到金属上的光激发表面等离子体，有必要通过改变光的分散关系，来使电介质材料中存在的光的分散关系符合表面等离子体的分散关系。改变光的分散关系的一个方法是如本实施例中那样在电介质材料与金属的界面处提供衍射光栅（光栅）。根据被称作“光栅耦合法”的该实施例，通过使光以预定入射角进入光栅，由光栅衍射的光的波数变得等于表面等离子体的波数，因此在电介质材料与金属之间的界面激发表面等离子体。

[0066] 同时，如上所述，因为表面等离子体是压缩波，所以激发等离子体以沿着特定方向传播的入射光必需是具有与该方向平行的电场成分的线偏振光。根据上述光栅耦合法，在与光栅的布置方向（光栅矢量）平行的方向由光栅来改变光的分散关系。具体地，具有与光栅矢量平行的电场成分的线偏振光对于表面等离子体的激发有贡献。因此，如在本实施例中那样，因为光栅（包括沿着x方向周期性地布置的多个突起部14a）被设置在导光体11与金属层12之间的界面中，每个突起部沿着y方向延伸，所以可以仅在具有沿着x方向的电场成分以及相对于光栅的预定入射角的线偏振光进入上述界面时才激发表面等离子体。

[0067] 当以此方式在第一衍射光栅14中激发等离子体时，在第二衍射光栅15中发生与第一衍射光栅14中的表面等离子体的激发过程完全相反的过程。这是因为导光体11和覆盖层13具有相同的介电常数，因此上述表面等离子体的分散关系在第一衍射光栅14和第二衍射光栅15中彼此相等。此外，通过使金属层12足够薄到100nm以下的程度，表面等离子体的能量在金属层12的两端之间交换。在第二衍射光栅15中产生与在第一衍射光栅14中激发的表面等离子体相同的表面等离子体，并产生光，之后该光从第二衍射光栅15输出。以此方式输出的光与在第一衍射光栅14中激发表面等离子体的光相同，即TM偏振光，并且输出角也等于入射角。

[0068] 如上所述，在本实施例中，第一衍射光栅14和第二衍射光栅15具有相同的光学构造，该构造可以允许入射到第一衍射光栅14上的TM偏振光从第二衍射光栅15输出。

[0069] 根据本实施例中的第一衍射光栅14，即使具有除了x方向之外的传播成分的光进入，只要投射到zx平面上的光的入射角满足表面等离子体的激发条件，光的与x方向平行的偏振成分也可以激发表面等离子体。同样在该情况中，因为表面等离子体的传播方向局限于x方向，所以由光产生装置利用表面等离子体产生的出射光是具有沿着x方向的电场成分的线偏振光，即TM偏振光。

[0070] 之后，参照图1B，将描述根据本实施例的光学元件10将来自LED光源1的随机偏振的光转换为TM偏振光并输出的操作。应当注意，即使光具有与zx平面垂直的传播成分，以下在zx平面中关于表面等离子体的激发的描述也如上所述适用于光的投影到zx平面上的成分。

[0071] 来自于设置在导光体11的一个侧表面上的LED光源1的随机偏振光进入导光体11，并且在导光体11内传播。对于在导光体11内传播的随机偏振光，由以满足表面等离子体的激发条件的角度θ1进入金属层12的TM偏振光通过第一衍射光栅14激发表面等离子体（见图1B中的箭头A）。此时，在第二衍射光栅15中产生相同的表面等离子体（见图1B中的箭头B），并且产生光。此时产生的光是与在导光体11与金属层12之间的界面中激发表面等离子体的光相同的TM偏振光，并且以与入射角相同的角度θ1输出（见图1B中的箭头C）。

[0072] 另一方面，不满足以上激发条件的光，即，TE偏振光或者例如以大于角度θ1的角度θ2入射到金属层12上的TM偏振光，仅在第一衍射光栅14中反射或衍射，而不激发表面等离子体。这种TE偏振光或TM偏振光在金属层12与扩散反射层18之间重复地反射，并且受到λ/4波片17的偏振变换和扩散反射层18的角度变换。之后，当这种光变为以角度θ1进入金属层的TM偏振光时，该光经由表面等离子体从光学元件输出。

[0073] 激发表面等离子体的TM偏振光包括两种类型的光。一种类型是在zx平面内沿着+x方向伴随着多次反射而传播并且以角度θ1进入金属层12的光。另一种类型是在zx平面内沿着-x方向伴随着多次反射而传播并且以角度-θ1进入金属层12的光。因此，在通过金属层12之后到达覆盖层13的TM偏振光也具有不同的出射方向（见图1B中的箭头C和C’）。具有不同出射方向的光由设置在覆盖层13的出射表面上的衍射装置16衍射，以沿着预定方向输出（本实施例中是与出射表面垂直的方向，见图1B中的箭头D和D’）。

[0074] 根据本实施例的衍射装置16具有与第一和第二衍射光栅14和15相同的构造。这是为了将如上所述以两个输出角度θ1和-θ1从第二衍射光栅15输出的光以预定方向衍射。因此，根据本实施例的衍射装置不一定要具有与第一和第二衍射光栅相同的结构，只要沿着x方向周期性地布置沿着y方向延伸的结构即可。可选地，这些结构的形状和结构之间的间隔能够根据相对于衍射装置的入射角和期望输出角度来调整。

[0075] 此外，在本实施例中，设置了单个λ/4片作为波片，但是可以提供任何其他类型的波片的组合。

[0076] 对于允许由光激发表面等离子体的光栅，改变光的分散关系的参数是光栅常数（节距）。因此，光栅的构造不局限于图1A和图1B中示出的构造。因此，构成根据本实施例的第一衍射光栅14的突起部的截面形状可以以各种方式调整。

[0077] 图2A到图2D是示出了根据本实施例的第一衍射光栅的一些修改例的截面图，并且示出了垂直于y方向的截面形状。

[0078] 图2A中示出的矩形截面形状是设置在图1B中示出的光学元件10中的衍射光栅14、15的截面。其他可能的截面形状也可以包括阶梯形状（见图2B）、正弦形状（见图2C）、等腰三角形（见图2D）等。在图2B中示出的阶梯状截面的情况中，增加的阶梯数目可以允许改善第一级衍射的衍射效率。例如，在四个阶梯的情况中，衍射效率是81%。因此，从衍射效率的观点来看，对于设置在导光体11与金属层12之间的界面中的衍射光栅，正弦截面形状是最优选的。

[0079] 之后，参照图3A和图3B，将描述计算结果，该计算是为了设置最适合于下述光栅的节距：该光栅可以允许光学元件的光使用效率最大化并且仅使用第一级衍射来激发表面等离子体。

[0080] 如上所述，表面等离子体的分散关系是由电介质材料和金属的介电常数确定的。因此，激发表面等离子体所需的光栅和光的入射角度的条件尤其根据给金属选择的材料而极大地改变。因此，在这里，将会描述在玻璃被用作电介质材料并且Ag被用作金属的计算结果。因为Ag具有比红光、绿光和蓝光的波段更高的等离子体频率并且以高的效率反射除了满足表面等离子体的激发条件的光之外的光，所以Ag是可以允许光使用效率增加的金属。

[0081] 在zx平面内根据光栅耦合法执行计算。具体地，对于图1B中示出的第一衍射光栅14，当突起部14a之间的间隔（即，第一衍射光栅14的光栅常数（节距））改变时，计算表面等离子体和光的分散关系，其中表面等离子体和光在导光体11与金属层12之间的界面中，并且平行于x方向。在该情况中，假设金属层12（Ag）的介电常数符合德鲁德-洛伦兹(Drude-Lorentz)模型。

[0082] 图3A示出了当第一衍射光栅14的光栅常数被设置为L=0.2μm时，表面等离子体和光的扩散关系的计算结果。横轴示出了波数，并且纵轴示出了角频率。同样，图3A示出了与红光（波长λ=630nm）、绿光（波长λ=530nm）和蓝光（波长λ=450nm）分别对应的角频率。

[0083] 图3A和图3B中的阴影部分示出了当在导光体中沿着x方向传播的光以0°<θ1<90°的入射角进入金属层时光的分散关系可以覆盖的范围。另一方面，实线（粗线）示出了由第一级衍射激发的表面等离子体的分散关系。因此，如果存在实线和阴影部分彼此交叉的区域，那么具有与该区域对应的能量的光将能够激发由第一衍射级引起的表面等离子体。在图3A中，示出了表面等离子体的分散关系的实线与红光（波长λ=630nm）、绿光（波长λ=530nm）和蓝光（波长λ=450nm）的区域中的阴影部分交叉。这意味着在光栅节距被设置为L=0.2μm的情况中，来自红光、绿光和篮管更重的任何入射光的第一级衍射可以激发表面等离子体。

[0084] 图3B示出了当第一衍射光栅14的光栅常数被设置为L=0.15μm时，表面等离子体和光的分散关系的计算。在该情况中，由于第一级衍射激发的表面等离子体的分散关系将会仅与蓝光的区域中的阴影部分交叉。因此，在光栅节距被设置为L=0.15μm的情况中，仅有蓝光可以激发由于第一级衍射引起的表面等离子体。因此，在以上条件的情况中，光栅节距对于红光和绿光可以被设置为等于或大于0.2μm，并且对于蓝光可以被设置为等于或大于0.15μm，这可以允许光利用第一级衍射激发表面等离子体。

[0085] 另一方面，随着光栅节距增加，表面等离子体甚至将会由第二或更高级衍射激发，并且随着光栅节距进一步增加，表面等离子体将会仅由第二或更高级衍射激发，而不由第一级衍射激发。因此，光栅节距优选地在表面等离子体可以由第一级衍射激发的范围内，即，分别对于红色入射光在0.2μm≤L≤4.2μm的范围，对于绿色入射光在0.2μm≤L≤3.5μm的范围，对于蓝色入射光在0.15μm≤L≤3.0μm的范围。此外，光栅节距优选地在在表面等离子体可以仅由第一级衍射激发的范围内，即，分别对于红色入射光在0.2μm≤L≤4.2μm的范围，对于绿色入射光在0.2μm≤L≤3.5μm的范围，对于蓝色入射光在0.15μm≤L≤3.0μm的范围。这是因为如果表面等离子体由第二或更高级衍射激发，表面等离子体将会具有多个模式，并且根据表面等离子体的模式将会在金属层的出射表面侧上产生沿着多个方向传输的光。换言之，这是因为当这种光学元件被结合到投影仪的光学系统中时，发射角变得更宽并且光使用效率下降。因此，如果包括由第二或更高级衍射进行的激发，有必要通过将光栅的形状尽可能地成形为正弦形状，使得第一级衍射的衍射效率实现100%，并且第二或更高级的衍射效率是0%。描述光栅的节距L与激发表面等离子体的光的入射角θ1的关系：当L=0.35μm时，对于红光θ1=6°；当L=0.3μm时，对于绿光θ1=4°；当L=0.25μm时，对于蓝光θ1=7°。

[0086] 对于金属，例如可以使用Al或Au，并且如果使用它们的话，可以由第一级衍射激发表面等离子体的范围如下所述。如果使用Al，该范围是对于红色入射光0.25μm≤L≤0.4μm，对于绿色入射光0.2μm≤L≤0.3μm，对于蓝色入射光0.2μm≤L≤0.3μm。如果使用Au，该范围是对于红色入射光0.2μm≤L≤0.35μm，对于绿色入射光0.2μm≤L≤0.3μm，对于蓝色入射光0.15μm≤L≤0.25μm。

[0087] 之后，参照图4，将会描述包括根据本实施例的光学元件的投影显示装置（LED投影仪）。

[0088] 图4是示意性地示出了在根据本实施例的LED投影仪中的光学系统的构造的布局平面图。

[0089] 根据本实施例的LED投影仪100包括分别用于红光（R）、绿光（G）和蓝光（B）的光源装置，每个光源装置包括LED光源101R、101G和101B，以及根据本实施例的光学元件10R、10G和10B。此外，LED投影仪100包括液晶面板（光调制元件）102R、102G和102B，每个液晶面板根据图像信息分别调制从光学元件10R、10G和10B输出的颜色光。在液晶面板
102R、102G和102B的出射侧上，设置了十字二色棱镜103，其将由液晶面板102R、102G和
102B调制的每个颜色光分别合成并输出。由十字二色棱镜103结合的光由投影光学系统
104投影到屏幕105上。

[0090] 包括根据本实施例的光学元件10R、10G和10B的LED投影仪100可以将从LED光源101R、101G和101B输出的随机偏振光分别转换为具有高方向性的TM偏振光，并且将其投影到每个液晶面板102R、102G和102B上。这可以允许光学系统中的光使用效率加强并且实现具有高亮度的LED投影仪。

[0091] 在该实施例中，为了在导光体11内改变多次反射的光的角度，使用了扩散反射层18，但是在不具有扩散反射层18的状态下，导光体11的下表面可以相对于上表面倾斜，从而不与其平行。或者，导光体11的下表面侧的形状可以是沿着第一衍射光栅的光栅矢量的方向形成的周期锯齿形状。

[0092] [第二实施例]

[0093] 图5是示意性地示出了根据第二实施例的光学元件的立体图。

[0094] 根据本实施例的光学元件20是对于根据第一实施例的光学元件10的修改例，其中光产生装置的构造被调整了。光产生装置的功能与第一实施例类似，但是与第一实施例的区别在于光产生装置包括金属层22、覆盖层23以及插入到它们之间的界面中的低折射率层29。换言之，在该实施例中，代替根据第一实施例的第二衍射光栅15，具有比覆盖层23的折射率更低折射率的低折射率层29被设置在金属层22与覆盖层23之间的界面中。除了以上构造之外，本实施例的构造于第一实施例类似。在上述每个实施例中，包括本实施例，相同的附图标记被用在每个附图中用于与第一实施例相同的元件，并且将会省略它们的描述。

[0095] 在根据本实施例的包括金属层22、覆盖层23和低折射率层29的光产生装置中，建立了所谓的“Otto光学构造”，并且衰减全反射（ATR）法被用作将表面等离子体和光结合以从表面等离子体产生光的方法。在ATR法中，当光从电介质材料与低折射率层之间的界面全反射时，在界面中发生倏逝光，并且由在低折射率层与金属之间的界面中的该倏逝光激发表面等离子体。因此，在本实施例中，一旦在第一衍射光栅14中激发表面等离子体，相同的表面等离子体被引入金属层22与低折射率层29之间的界面中。光经由在低折射率层29与覆盖层23之间的界面中产生的倏逝光从表面等离子体产生，并且被发射到覆盖层23。

[0096] [第三实施例]

[0097] 图6是示意性地示出了根据第三实施例的光学元件的立体图。

[0098] 与第二实施例类似，本实施例是对于第一实施例的修改例，其中光产生装置的构造被调整了，并且区别在于金属层32和覆盖层33被与以上实施例不同地构造。

[0099] 在根据本实施例的光学元件30中，覆盖层33具有比导光体11更小的折射率，并且金属层32具有比覆盖层33小得多的膜厚。这样构造的包括金属层32和覆盖层33的光产生装置具有所谓的“Kretschmann光学构造”，并且与第二实施例类似地利用ATR法来从表面等离子体产生光。具体地，经由发生在界面中的倏逝光，光从与在第一衍射光栅14中的将要被引入金属层32与覆盖层33之间的界面中表面等离子体结合的表面等离子体产生。

[0100] [第四实施例]

[0101] 之后，参照图7到图9，将会描述根据第四实施例的光学元件。

[0102] 该实施例是对于上述实施例的修改例，其中调整了覆盖层的出射侧。这里，该实施例将会被描述为第一实施例的修改例，但是该实施例也可以应用到第二和第三实施例。

[0103] 图7是示意性地示出了根据本实施例的光学元件的立体图。图8是示意性地示出了LED光源被安装在根据本实施例的光学元件中的示例的布局平面图。图9是示意性地示出了包括根据本实施例的光学元件的投影仪中的光学系统的构造的示例的立体图。

[0104] 在根据本实施例的光学元件40中，包括多个全息图的衍射装置46被设置在覆盖层43的出射表面侧上，来代替根据第一实施例的包括多个结构的衍射装置16。该多重全息图是通过层叠与红光、蓝光和绿光对应的许多全息图来构成的。因此，如图8所示，分别具有不同颜色光的许多LED光源41R、41G、41B也可以被围绕一个光学元件40布置以用于该元件。

[0105] 此外，如图9所示，使用根据本实施例的光学元件40可以构成包括对于多个LED光源201R、201G和201B中每一者设置的一个光学元件40和一个液晶面板202的LED投影仪200。相比于图4中示出的根据第一实施例的LED投影仪100，该LED投影仪200不需要安装十字二色棱镜，并且因此可以实现尺寸的进一步减小。

[0106] 在根据本实施例的LED投影仪200中，可以使用反射性数字反射镜装置等，来代替液晶面板202。

[0107] [第五实施例]

[0108] 图10A和图10B示意性地示出了根据第五实施例的光学元件。图10A是示意性地示出了根据本实施例的光学元件的立体图，图10B是示意性地示出了从光源方向观察的根据本实施例的光学元件的侧视图。

[0109] 该实施例是对于根据上述实施例的光学元件的修改例，其中另外地设置了扩散反射装置，以覆盖除了上、下表面之外的侧表面。该扩散反射装置可以应用到上述全部实施例。图10A和图10B示出了其中扩散反射装置被应用到根据第一实施例的光学元件10的构造的示例，第一实施例包括具有多个结构的衍射装置。

[0110] 根据本实施例的扩散反射装置55在于LED光源1相对的位置处具有入口55a。被从其引入到导光体内的光被扩散并由扩散反射装置55反射离开导光体的下表面和侧表面。因此，因为在导光体内的光在没有任何损耗的状态下进入表面等离子体激发装置，所以根据本实施例的光学元件50可以有效地将来自光源的随机偏振光转换为TM偏振光并输出。

[0111] [第六实施例]

[0112] 图11A和图11B示意性地示出了根据第六实施例的光学元件。图11A是示意性地示出了根据本实施例的光学元件的立体图。图11B是示意性地示出了从y方向观察的根据本实施例的光学元件的截面图。

[0113] 与第五实施例类似，本实施例是关于导光体内的光反射的修改例。本实施例中作出的改变也可以被应用到上述全部实施例。

[0114] 在根据本实施例的光学元件60中，导光体61具有相对于上表面倾斜的下表面，使得导光体61的厚度沿着光传播方向（x方向）越来越薄。作为响应，在本实施例中，镜面反射层68被设置为将光从导光体61的下表面反射的装置，来代替根据上述实施例的扩散反射层。参照图11B，将会在下文中描述在这种构造中的光反射。

[0115] 从与金属层12的界面以大于入射角θ1（在该角度下能激发表面等离子体）的反射角θ3反射的TE偏振光以类似的入射角θ3进入镜面反射层68。此时，因为导光体61以倾斜角φ1倾斜，所以在被从镜面反射层68反射之后的光以相对于镜面反射层68的法线方向的角度θ3-φ1返回到导光体61内。具体地，由于穿过λ/4波片17两次而被转换为TM偏振光的光以角度θ3-2φ1进入金属层12。当该角度θ3-2φ1符合能激发表面等离子体的入射角θ1时，在导光体61与金属层12之间的界面中激发出表面等离子体。

[0116] 虽然图11A和图11B中示出的光学元件60被构造为使得LED光源1被安装到导光体61的更厚的一侧（图11A和图11B中的左侧），但是LED光源1可以被安装到相反侧，即，光可以从导光体61的更薄的一侧（图11A和图11B中的右侧）引入。

[0117] 此外，在根据本实施例的光学元件60中，可以设置根据上述实施例的扩散反射层，来代替在导光体的下表面下方的镜面反射层。在这种情况中，根据第五实施例的扩散反射装置可以被设在导光体的侧表面上。

[0118] 另一方面，在本实施例中，为了改变在导光体内传播的光的反射角，导光体的下表面是倾斜的，但是可选地，具有锯齿形状的反射装置可以被设置在与上表面平行的下表面上，如第一实施例中所示。

[0119] [第七实施例]

[0120] 根据第七实施例的光学元件是一种修改形式，其中根据第一实施例的第一和第二衍射光栅被不同地构造。因为根据本实施例的光学元件由于这种改变而不需要设置在根据第一实施例的光学元件中的衍射装置，所以如下所述，本实施例相比于第一实施例有利。

[0121] 图12A和图12B示意性地示出了根据本实施例的光学元件。图12A是示意的立体图，并且图12B是从y方向观察的示意截面图。

[0122] 在根据本实施例的光学元件70中，衍射光栅74、75的各个突起部74a、75a从y方向观察时具有锯齿截面形状。从由衍射改变分散关系的观点来看，在zx平面内沿着+x方向伴随着多次反射而传播并且以入射角θ1进入这种第一衍射光栅74的光不在等价于在zx平面内沿着-x方向伴随着多次反射而传播并且以入射角-θ1进入的光。也就是说，在本实施例中，通过在第一衍射光栅74中的衍射，沿着+x方向传播并以入射角θ1进入的光的分散关系将会符合表面等离子体的分散关系。因此，可以经由表面等离子体穿过金属层12的光仅为以入射角θ1进入金属层12的光。

[0123] 此时，如上所述，可以在与金属层12的界面中激发出表面等离子体的入射角可以根据金属层12的介电常数和衍射光栅74、75的各自的节距来修改。因此，以上参数被调整为使得光可以通过金属层12的入射角θ1比覆盖层73的全反射角更小，并且即使在覆盖层73的出射侧上没有设置衍射结构，也可以由此沿预定方向输出光。

[0124] 根据本实施例的衍射光栅的突起部在与y方向垂直的截面图中可以相对于穿过突起部的顶点并与z方向平行的线不对称，并且可以是阶梯形状。

[0125] 同样，应当注意在第二到第六实施例中对于第一实施例的改变可以被应用到本实施例。

[0126] 虽然已经参照实施例和示例描述了本发明，但是本发明不局限于上述实施例和示例。本领域技术人员应当理解，可以进行形式和细节上的各种改变，而不超出本发明的范围。

[0127] 本申请基于2010年3月30日递交的日本专利申请No.2010-077794并要求其优先权，通过引用将其全部结合在这里。