發光元件和使用該發光元件的圖像顯示設備的製作方法

2023-06-19 13:49:26

專利名稱：發光元件和使用該發光元件的圖像顯示設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及發射線偏振光的發光元件及使用該發光元件的圖像顯示設備。
背景技術：
已經提出了將發光二極體(LED)用作 發光元件的圖像顯示設備。此種圖像顯示設備被構造為包括能發出紅光(R)、綠光(G)和藍光(B)的多個LED、接收該多個LED發出的光的照明光學系統、接收來自照明光學系統的光且具有液晶顯不面板的光閥、將來自光閥的不同顏色的光合併的顏色合併稜鏡、用於將來自顏色合併稜鏡的光投影到投影面的投影光學系統。對於上述構造的圖像顯示設備，存在這樣的要求儘可能地防止從發光元件到投影光學系統的光程中發生光學損耗以增加投影圖像的亮度。在以上描述的組件中，液晶顯示面板和顏色合併稜鏡具有偏振依賴性。因此，從提高光學系統的效率的角度而言，希望每個發光元件都能發出線性偏振光。另外，如在非專利文獻I中所描述的那樣，由於集光率(etendue)由發光元件的面積和輻射角的乘積決定，因此光學系統的效率受到限制。具體地，從發光元件發出的光不被用作投射光，除非發光元件的面積與輻射角的乘積的值不大於光閥的入射表面的面積與由照明光學系統的F數決定的受光角的乘積。因此，使用LED的圖像顯示設備需要解決的問題是增大每個發光元件的亮度而不增加發光元件的面積以減少從發光元件發出的光的集光率。針對上述構造的圖像顯示設備，還存在這樣的要求使屏幕上的光強分布儘可能均勻，以限制投影圖像中的亮度不均勻。專利文獻1(JP 2009-111012A)公開了一種半導體發光元件，其被設計為發出具有大的偏振比的光，並且具有作為晶體生長主平面的非極性(nonpolar)平面。專利文獻2(JP 2007-109689A)公開了一種發光元件，其被設計為減少集光率並以很高的偏振轉換效率發出線性偏振光，該發光元件具有位於基準面上且發光的發光部分、位於發光部分的出射面那側的λ/4相位板、位於λ/4相位板的射出面那側的反射式偏振片(該偏振片允許沿第一振動方向的偏振光通過，並反射沿與第一振動方向垂直的第二振動方向的偏振光)、位於反射式偏振片的射出面那側的光學部分(在該部分中，在與基準面平行的平面內的兩個方向上的折射率周期性地發生變化)。在該發光兀件中，由反射式偏振片反射的光被位於發光部分的、與其射出面相反那側的反射電極反射，經過λ/4相位片射出並返回，使得振動方向被改變90度，再次進入並通過該反射式偏振片。在日本專利申請No. 2009-243367中，本申請的申請人提出一種發明，其中實現的發光元件具有高效率並發出能增加亮度的線性偏振光。在日本專利申請No. 2009-243367中提出的發光元件具有活性(active)層(其中產生光)、偏振器層(具有第一區域和第二區域，第一區域允許活性層產生的光中沿第一方向的偏振分量通過並反射其它偏振分量，第二區域允許沿與第一方向垂直的第二方向的偏振分量通過並反射其它偏振分量)、波長片層(具有第三和第四區域，這些區域接收來自第一和第二區域的光並使接收的光作為相同偏振狀態的光而射出)，以及反射層(反射由第一和第二區域反射的光)。在上述發光元件中，在活性層產生的光中，進入偏振器層第一區域的、沿第一方向的偏振分量和進入第二區域的、沿第二方向的偏振分量通過偏振器層，而進入偏振器層第一區域的、沿第二方向的偏振分量和進入第二區域的、沿第一方向的偏振分量被偏振器層反射。被偏振器層反射的光被反射層反射並再次進入偏振器層。此次的入射位置與之前的入射位置不同。進入與之前的光所進入的區域不同的區域的光通過偏振器層。進入與之前的光進入的區域相同的區域的光被偏振器層再次反射。通過重複此操作，活性層產生的所有的光最終都通過偏振器層。通過偏振器層的第一和第二區域的光分別通過波長片層的第三和第四區域以具有相同的偏振方向。引文列表 專利文獻專利文獻I JP 2009-111012A專利文獻2 JP 2007-109689A專利文獻3 JP 2001-51122A非專利文獻非專利文獻1:SID 06 DIGEST, 2006, pp. 1808-1811,61. I, Photonic LatticeLEDs for RPTV Light Engines, Christian Hoepfner

發明內容
技術問題在專利文獻I中描述的半導體發光元件具有非極性平面作為晶體生長主平面，從而可以以較高的偏振比發光。然而，由於需要從具有普通極性平面作為主平面的基板切去具有非極性平面作為主平面的基板，因此存在一個問題，即不能增大基板的面積且生產率低下。在專利文獻2中描述的發光元件使用反射式偏振片和λ /4相位片來發出線性偏振光。然而，由反射式偏振片反射的光和由反射電極反射的光部分地被存在於反射式偏振片和反射電極之間的發光部分的射出面反射。因此，存在這樣的問題如果計入伴隨多重反射而發生的光衰減，則偏振轉換的效率低，很難提高亮度。在日本專利申請No. 2009-243367中提出的發光元件通過使用偏振器層、波長片層和反射層發出線性偏振光，然而，與波長片層的光軸垂直的偏振分量和與該光軸平行的偏振分量的透過率以及這些偏振分量之間的相位差依賴於入射角，且與光軸垂直的平面內的入射角依賴性和與光軸平行的平面內的入射角依賴性相互不同。因此，在與光軸垂直的平面和與光軸平行的平面之間，從發光元件發出並進入光閥的光的分布特徵變化，因此產生了光非對稱分布的特徵。因此，當用於圖像顯示設備時，屏幕上的光強分布不均勻，且在投影圖像中表現為亮度不均勻。
本發明是考慮到解決上述相關技術的問題而實現的，本發明的一個目的是提供具有高效率、能提高亮度並發出線性偏振光的發光元件，其中，光分布特徵具有良好的對稱性。問題的解決方案根據本發明的發光元件是一種具有產生光的活性層的發光元件，該發光元件包括偏振器層，其具有第一區域和第二區域，第一區域允許活性層中產生的光中沿第一方向的偏振分量通過並反射其它偏振分量，第二區域允許沿第二方向(與第一方向垂直)的偏振分量通過並反射其它偏振分量；波長片層，其具有從第一區域發出的光所進入的第三區域和第五區域，以及從第二區域發出的光所進入的第四區域和第六區域，波長片層使進入第三至第六區域內的光作 為相同偏振狀態的光射出；和反射層，其反射被第一區域和第二區域反射的光，其中，第三區域與第五區域的光軸方向互相垂直，或第四區域與第六區域的光軸方向互相垂直。根據本發明的圖像顯示設備使用具有上述構造的發光元件。本發明的有益效果在本發明的發光元件中，通過偏振器層的第一區域的第一方向偏振分量通過波長片層的第三區域和第五區域，通過偏振器層的第二區域的第二方向偏振分量通過波長片層的第四區域和第六區域。通過波長片層的第三至第六區域的光具有相同的偏振方向。通過偏振器層的光通過波長片層，而不是隨後被反射。結果，提高了效率並增加了亮度。與波長片層的光軸垂直的偏振分量和與該光軸平行的偏振分量的透過率以及這些偏振分量之間的相位差依賴於入射角，且與光軸垂直的平面內的入射角依賴性和與光軸平行的平面內的入射角依賴性相互不同。然而，由於第三區域與第五區域、或第四區域與第六區域的光軸的方向相互垂直，因此在與光軸垂直的平面和與光軸平行的平面之間，由通過第三至第六區域並進入光閥的光的疊加所引起的光分布特徵不會改變。也就是說，其結果是光分布特徵具有良好的對稱性。因此，在用於圖像顯示設備情況下，屏幕上的光強分布均勻，且不會發生投影圖像的亮度不均勻的情況。


圖I是示出根據本發明的發光元件的示例性實施例的構造的剖視圖。圖2是示出圖I中所示的偏振器層108的構造的示例的透視圖。圖3是示出圖I中所示的半波片層109的構造的示例的透視圖。圖4是示出圖I中所示的半波片層109的構造的另一個示例的透視圖。圖5是示出圖I中所示的偏振器層108的構造的另一個示例的透視圖。圖6是示出圖I中所示的半波片層109的構造的另一個示例的透視圖。圖7是示出圖I中所示的半波片層109的構造的另一個示例的透視圖。圖8顯示了示出計算入射光角度和半波片層透過率之間的關係的示例的圖。
圖9顯示了示出計算入射光角度和半波片層的相位差之間的關係的示例的圖。圖10顯示了示出計算從發光元件發出並進入光閥的光的分布的特徵的示例的圖。圖11示出了使用發光元件的光源單元的構造的圖。圖12示出了計算光源單元的射出面上的光強分布的示例的圖。圖13是示出使用根據本發明的發光元件的圖像顯示設備的示例性實施例的構造的框圖。圖14是示出使用根據本發明的發光元件的圖像顯示設備的另一個示例性實施例的構造的框圖。 圖15是示出使用根據本發明的發光元件的圖像顯示設備的另一個示例性實施例的構造的框圖。圖16是示出用於圖13中所示的圖像顯示設備的驅動系統的配置的圖。圖17是示出用於圖14中所示的圖像顯示設備的驅動系統的配置的圖。圖18是示出用於圖15中所示的圖像顯示設備的驅動系統的配置的圖。圖19是示出傳統發光元件中的半波片層的構造的示例的透視圖。
具體實施例方式將結合附圖描述本發明的示例性實施例。圖I是示出根據本發明的發光元件100的示例性實施例的構造的剖視圖。發光元件100中的層的實際厚度非常小且各個層的厚度差異很大。因此，很難在圖中以正確的比例顯示層。在附圖中，因此，各層以示意圖的形式示出，並未按照比例。P型電極102和反射層103在基塊(sub-mount) 101上形成。P型半導體層104在反射層103上形成。活性層105在P型半導體層104上形成。N型半導體層106在活性層105上形成。N型電極107和偏振器層108在N型半導體層106上形成。半波片層109在偏振器層108上形成。作為用於基塊101的材料，例如可使用Si。作為用於P型電極102的材料，例如可使用Ni/Au/Ti/Au。作為用於反射層103的材料，例如可使用Ag。作為用於P型半導體層104的材料，例如可使用摻雜Mg的GaN。對於活性層105，可使用多量子阱結構，其中，由GaN形成的層和由InGaN形成的層例如一個在另一個紙上地交替放置。作為用於N型半導體層106的材料，例如可使用摻雜Si的GaN。作為用於N型電極107的材料，例如可使用Ti/Al/Ti/Au。下面描述製作發光元件100的方法。首先，在基板上相繼形成N型半導體層106、活性層105、P型半導體層104和反射層103。其次，將反射層103粘附到基塊101上，然後除去基板。接下來，在N型半導體層106上形成偏振器層108。通過另一處理來製作半波片層109並將其粘附到偏振器層108上。最後，形成P型電極102和N型電極107。將概述當前示例性實施例的操作。在P型電極102和N型電極107之間施加電壓以使電流在二者之間流動，從而在活性層105產生光。活性層105中產生的光包括沿各個方向行進的各種分量。
在活性層105產生且朝N型半導體層106行進的光通過N型半導體層106並進入偏振器層108。在活性層105產生且向P型半導體層104行進的光通過P型半導體層104，由反射層103反射，通過P型半導體層104、活性層105和N型半導體層106並進入偏振器層 108。偏振器層108包括第一區域和第二區域。第一區域允許入射光中沿第一方向的偏振分量通過，並反射其它偏振分量。第二區域允許入射光中沿與第一方向垂直的第二方向的偏振分量通過，並反射其它偏振分量。也就是說，在進入偏振器層108的光中，進入偏振器層第一區域的、沿第一方向的偏振分量和進入第二區域的、沿第二方向的偏振分量通過偏振器層108，而進入第一區域的、沿第二方向的偏振分量和進入第二區域的、沿第一方向的偏振分量被偏振器層108反射。被偏振器層108反射的光通過N型半導體層106、活性層105和P型半導體層104，由反射層103反射，通過P型半導體層104、活性層105和N型半導體層106，並再次進入偏振器層108。此時的入射位置與之前的入射位置不同。在再次進入偏振器層108的光中，進
入第一區域的、沿第一方向的偏振分量和進入第二區域的、沿第二方向的偏振分量通過偏振器層108，而進入第一區域的、沿第二方向的偏振分量和進入第二區域的、沿第一方向的偏振分量被偏振器層108再次反射。通過重複此操作，活性層中產生的所有的光最終都通過偏振器層。半波片層109包括第三至第六區域。半波片層109的第三和第五區域與偏振器層108的第一區域相對應，同時半波片層109的第四和第六區域與偏振器層108的第二區域相對應。第三和第五區域允許入射光射出，並給予預定的偏振旋轉角度。第四和第六區域允許入射光射出，並給予下述偏振旋轉角度該角度是在第三區域給予的偏振旋轉角度上加90度和270度而得到的。因此，通過半波片層109的第三至第六區域的光的偏振方向相一致。下面將描述偏振器層108和半波片層109的構造的具體示例。圖2是示出圖I中所示的偏振器層108的構造的示例的透視圖。在圖2所示的示例中，由多個金屬納米線(nanowire) 202形成的偏振器層在N型半導體層201上形成。作為用於金屬納米線202的材料，例如可使用Al。偏振器層包括第一區域203和第二區域204，它們布置為條狀且彼此相鄰。圖中，第一區域203和第二區域204中的金屬納米線202的縱長方向分別與Y軸方向和X軸方向對應。此偏振器允許與金屬納米線202的縱長方向垂直的入射光偏振分量通過，並反射與納米線202的縱長方向平行的入射光偏振分量。在進入第一區域203的光中，沿X軸方向的偏振分量被允許通過。該光中沿Y軸方向的偏振分量被反射。在進入第二區域204的光中，沿Y軸方向的偏振分量被允許通過。該光中沿X軸方向的偏振分量被反射。圖3是示出圖I中所示的半波片層109的構造的一種示例的透視圖。在圖3所示的示例中，由電介質302形成的半波片層(其中高折射率層和低折射率層交替地一個布置在一個上)在基板301上形成。作為用於基板301的材料，例如可使用石英。作為用於電介質302中的高折射率層和低折射率層的材料，例如可分別使用Nb2O5和Si02。半波片層包括第一區域303、第二區域304、第三區域305和第四區域306，它們被布置為條狀且彼此相鄰。半波片層的第一區域303和第三區域305與圖2中所示的偏振器層的第一區域203相對應地設置，半波片層的第二區域304和第四區域306與圖2中所示的偏振器層的第二區域204相對應地設置。第一區域303和第三區域305在X-Y平面中都不包括周期性突起/凹下結構，不具有半波片層的功能。另一方面，第二區域304和第四區域306都包括對於X-Y平面內預定方向的周期性突起/凹下結構，都不包括對於與該預定方向垂直的方向的周期性突起/凹下結構，並起到半波片層的作用，如JP 2001-51122A中公開的那樣。第二區域304和第四區域306內的突起/凹下結構的縱長方向(光軸的方向)分別相對於圖中的X軸成45度和135度角。半波片層給予入射光在與光軸垂直的偏振分量和與光軸平行的偏振分量之間的180度的相位差。因此，進入第一區域303和第三區域305且偏振方向與X軸方向相對應的線性偏振光在第一區域303和第三區域305內不被給予任何偏振旋轉角度。該光從第一區域303 和第三區域305射出，未發生變化，仍是線性偏振光，其偏振方向與X軸方向相對應。進入第二區域304且偏振方向與Y軸方向相對應的線性偏振光在第二區域304被給予90度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第二區域304射出，其偏振方向與X軸方向相對應。進入第四區域306且偏振方向與Y軸方向相對應的線性偏振光在第四區域306被給予270度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第四區域306射出，其偏振方向與X軸方向相對應。結果，通過第一區域303至第四區域306的光的偏振方向彼此相一致。圖4是示出圖I中所示的半波片層109的構造的另一個示例的透視圖。在圖4所示的示例中，由電介質402 (其中，高折射率層和低折射率層交替地一個放置在一個上)形成的半波片層在基板401上形成。作為用於基板401的材料，例如可使用石英。作為用於電介質402中高折射率層和低折射率層的材料，例如可分別使用Nb2O5和Si02。半波片層包括第一區域403、第二區域404、第三區域405和第四區域406，它們呈條狀且相鄰布置。半波片層的第一區域403和第三區域405與圖2中所示的偏振器層的第一區域203相對應，半波片層的第二區域404和第四區域406與圖2中所示的偏振器層的第二區域204相對應。第一區域403至第四區域406都包括對於X_Y平面內預定方向的周期性突起/凹下結構，不包括對於與該預定方向垂直的方向的任何周期性突起/凹下結構，並起到半波片層的作用，如JP 2001-51122Α中公開的那樣。第一區域403、第二區域404、第三區域405和第四區域406內的突起/凹下結構的縱長方向(光軸的方向)與圖中的X軸分別成22.5度角、67. 5度角、112. 5度角和157. 5度角。半波片層給予入射光在與光軸垂直的偏振分量和與光軸平行的偏振分量之間的180度的相位差。因此，進入第一區域403且偏振方向與X軸方向相對應的線性偏振光在第一區域403內被給予45度的偏振旋轉角度,並作為線性偏振光從第一區域403射出，其偏振方向與X軸形成45度角。進入第三區域405且偏振方向與X軸方向相對應的線性偏振光在第三區域405內被給予225度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第三區域405射出，其偏振方向與X軸形成225度角(45度)。進入第二區域404且偏振方向與Y軸方向相對應的線性偏振光在第二區域404內被給予135度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第二區域404射出，其偏振方向與X軸形成225度角(45度)。進入第四區域406且偏振方向與Y軸方向相對應的線性偏振光在第四區域406內被給予315度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第四區域406射出，其偏振方向與X軸形成405度角(45度)。結果，通過第一區域403至第四區域406的光的偏振方向相一致。圖5是示出圖I中所示的偏振器層108的構造的另一個示例的透視圖。在圖5所示的示例中，由多個金屬納米線502形成的偏振器層在N型半導體層501上形成。作為用於金屬納米線502的材料，例如可使用Al。偏振器層包括第一區域503和第二區域504，它們彼此相鄰且交錯排列。第一區域503和第二區域504內的金屬納米線502的縱長方向分別與Y軸方向和X軸方向對應，如圖所示。該偏振器允許與金屬納米線502的縱長方向垂直的入射光偏振分量通過，並反射與金屬納米線502的縱長方向平行的入射光偏振分量。在進入第一區域503的光中，沿X軸方向 的偏振分量被允許通過。所述光中沿Y軸方向的偏振分量被反射。在進入第二區域504的光中，沿Y軸方向的偏振分量被允許通過。所述光中沿X軸方向的偏振分量被反射。圖6是示出圖I中所示的半波片層109的構造的另一個示例的透視圖。在圖6所示的示例中，由電介質602 (其中，高折射率層和低折射率層交替地一個放置在一個上)形成的半波片層在基板601上形成。作為用於基板601的材料，例如可使用石英。作為用於電介質602中高折射率層和低折射率層的材料，例如可分別使用Nb2O5和Si02。半波片層包括第一區域603、第二區域604、第三區域605和第四區域606，它們交錯排列且彼此相鄰。半波片層的第一區域603和第三區域605與圖5中所示的偏振器層的第一區域503相對應，半波片層的第二區域604和第四區域606與圖5中所示的偏振器層的第二區域504相對應。第一區域603和第三區域605在X-Y平面內都不包括周期性突起/凹下結構，不起到半波片層的作用。另一方面，第二區域604和第四區域606，都包括對於X-Y平面內預定方向的周期性突起/凹下結構，都不包括對於與該預定方向垂直的方向的任何周期性突起/凹下結構，並起到半波片層的作用，如JP 2001-51122A中公開的那樣。圖中，第二區域604和第四區域606內的突起/凹下結構的縱長方向(光軸的方向)分別與X軸成45度角和135度角。半波片層給予入射光在與光軸垂直的偏振分量和與光軸平行的偏振分量之間的180度的相位差。因此，進入第一區域603和第三區域605且偏振方向與X軸方向相對應的線性偏振光在第一區域303和第三區域305內未被給予任何偏振旋轉角度。從第一區域603和第三區域605射出的光未發生改變,仍是線性偏振光，其偏振方向與X軸方向相對應。進入第二區域604且偏振方向與Y軸方向相對應的線性偏振光在第二區域604內被給予90度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第二區域604射出，其偏振方向與X軸方向相對應。進入第四區域606且偏振方向與Y軸方向相對應的線性偏振光在第四區域606內被給予270度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第四區域606射出，其偏振方向與X軸方向相對應。結果，通過第一區域603至第四區域606的光的偏振方向相一致。圖7是示出圖I中所示的半波片層109的構造的另一個示例的透視圖。在圖7所示的示例中，由電介質702 (其中，高折射率層和低折射率層交替地一個放置在一個上)形成的半波片層在基板701上形成。作為用於基板701的材料，例如可使用石英。作為用於電介質702中高折射率層和低折射率層的材料，例如可分別使用Nb2O5和Si02。半波片層包括第一區域703、第二區域704、第三區域705和第四區域706，它們交錯排列且彼此相鄰。半波片層的第一區域703和第三區域705與圖5中所示的偏振器層的第一區域503相對應，半波片層的第二區域704和第四區域706與圖5中所示的偏振器層的第二區域504相對應。第一區域703至第四區域706都包括對於X_Y平面內預定方向的周期性突起/凹下結構，都不包括對於與該預定方向垂直的方向的任何周期性突起/凹下結構，並起到半波片層的作用，如JP 2001-51122Α中公開的那樣。第一區域703、第二區域704、第三區域705和第四區域706內的突起/凹下結構的縱長方向(光軸的方向)與圖中的X軸分別成22. 5度角、67. 5度角、112. 5度角和157. 5度角。該半波片層給予入射光在與光軸垂直的偏振分量和與光軸平行的偏振分量之間的180度的相位差。因此，進入第一區域703且偏振方向與X軸方向相對應的線性偏振光在第一區域703內被給予45度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第一區域703射出，其偏振方向與X軸方向形成45度角。進入第三區域705且偏振方向與X軸方向相對應的線性偏振光在第三區域705內被給予225度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第三區域705射出， 其偏振方向與X軸方向形成225度角(45度)。進入第二區域704且偏振方向與Y軸方向相對應的線性偏振光在第二區域704內被給予135度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第二區域704射出，其偏振方向與X軸形成225度角(45度)。進入第四區域706且偏振方向與Y軸方向相對應的線性偏振光在第四區域706內被給予315度的偏振旋轉角度，並作為線性偏振光從第四區域706射出，其偏振方向與X軸形成405度角(45度)。結果，通過第一區域703至第四區域706的光的偏振方向相一致。在偏振器層108的第一區域和第二區域以及1/2偏振片層109的第一區域至第四區域被如圖2至圖4中所示布置為彼此相鄰的條狀的情況下，可很容易地在X-Y平面內的偏振器層108和半波片層之間進行對準。在偏振器層108的第一區域和第二區域以及1/2偏振片層109的第一至第四區域被布置為如圖5至7中所示的以交錯的形式彼此相鄰的情況下，發光元件100的發射面上的光強分布的非均勻性對屏幕上的光強分布的不均勻性的影響可被降低。下面說明半波片層內與光軸垂直的偏振分量和與光軸平行的偏振分量的透過率以及這些分量之間的相位差。考慮把圖3中所示的第二區域304和第四區域306的構造作為半波片的構造。假定入射光的波長為450nm。假定高折射率層和低折射率層的材料分別為Nb2O5和Si02。假定這些層中每一個層的厚度為84nm ;每種層的總數為16 ;X_Y平面內的突起/凹下結構的周期為160nm。在此條件下計算透過率和相位差的入射角相關性。圖8顯示的示例圖示出了所計算的半波片層內入射光角度和透過率之間的關係。圖8(a)中示出了在與光軸垂直的平面中的入射光角度被改變時進行計算的示例。圖8(b)中示出了在與光軸平行的平面中的入射光角度被改變時進行計算的示例。圖中的橫軸代表入射光角度，而縱軸代表的透過率是與光軸垂直的偏振分量和與光軸平行的偏振分量的平均值。當入射光角度為O度時，透過率基本上為I。在與光軸垂直的平面內，當入射光角度超過50度時，透過率急劇下降。相比之下，在與光軸平行的平面內，即使當入射光角度接近90度時，透過率也不會大幅下降。圖9顯示的示例圖示出了計算半波片層內入射光角度和相位差之間的關係。在圖9(a)中示出了在與光軸垂直的平面中的入射光角度被改變時進行進行計算的示例。在圖9(b)中示出了在與光軸平行的平面中的入射光角度被改變時進行計算的示例。圖中的橫軸代表入射光角度，而縱軸代表與光軸垂直的偏振分量和與光軸平行的偏振分量之間的相位差。當入射光角度為O度時，相位差基本上為180度。在與光軸垂直的平面內，當入射光角度超過30度時相位差急劇變化，且當入射光角度大約為45度時相位差達到360度。相比之下，在與光軸平行的平面內，即便當入射光角度接近90度時，相位差也不會發生很大變化，大約保持在270度。如果透過率為T且相位差為δ，從發光元件發出、通過半波片層並進入光閥的光的效率(以下稱為半波片層的效率)由Tsin2 (δ/2)表達。當入射光角度為O度時，效率基本上為I。在與光軸垂直的平面內，隨著入射光角度增大，效率降低，且當入射光角度大約為45度時效率基本上變為零。相比之下，在與光軸平行的平面內，即便當入射光角度接近 90度時，效率也不會大幅降低，大約為O. 5。如果從LED發出的光的角度為Θ，則從LED發出的光的強度的角度依賴性通常由COS Θ表達。因此，如果考慮半波片層的效率，則從使用半波片層的發光元件發出的光的強度的角度依賴性如下所述。在與光軸垂直的平面內，由於當Θ大約為45度時光強基本上為0，因此光強可通過COS2 0而非cos Θ來近似。相比之下，在與光軸平行的平面內，由於即便當Θ接近90度時光強也比cos Θ低得多，因此光強可通過cos Θ來近似。下面將針對對稱的光分布特徵和屏幕上的光強分布對使用日本專利申請No. 2009-243367中提出的發光元件的情況和使用本發明的發光元件的情況進行比較。考慮圖19中所示的作為用於日本專利申請No. 2009-243367中提出的發光元件的半波片層。在圖19所示的示例中，由電介質1902形成的半波片層在基板1901上形成。半波片層具有第一區域1903和第二區域1904，它們布置為彼此相鄰的條狀。第一區域1903不具有半波片的功能。第二區域1904具有半波片的功能。第二區域1904內的光軸的方向與圖中的X軸成45度角。關注通過第二區域1904的光。另一方面，考慮圖3中所示的作為用於本發明的發光元件的半波片層。關注通過第二區域304和第四區域306的光。圖10示出了計算從發光元件發出並進入光閥的光的分布特徵的示例的圖。在圖10(a)中示出了在使用圖19中所示的半波片層的情況下進行計算的示例。在圖10(b)中示出了在使用圖3中所示的半波片層的情況下進行計算的示例。圖中的水平方向和垂直方向分別與沿X軸方向和沿Y軸方向的部分內的光的角度對應，且圖示範圍為-90° ( θχ^+90°和-90° ( θγ^+90°。在圖中，與光的角度相對應的光的強度由等強度輪廓線來指示。在使用圖19中所示的半波片層的情況下，如圖10(a)中所示，在圖中與θ χ軸成135度角的方向上的部分內的光的強度(與光軸垂直的平面內)由cos20給出，而在圖中與θχ軸成45度角的方向上的部分內的光的強度(與光軸平行的平面內)由cos0給出。因此，在θχ<0且θγ0且θγ > O的區域內的光強較高，而在θχ0的區域以及θχ>0且θγ< 0的區域內的光強較低，得出的光分布特徵呈現出不良的對稱性。另一方面，在使用圖3中所示的半波片層情況下，通過第二區域304並進入光閥的光的強度與圖10(a)中所示的光的強度相同，通過第四區域306並進入光閥的光的分布特徵與將圖10(a)中所示的θχ-θγ平面內光分布特徵旋轉90度得出的結果相符。因此，通過疊加這兩種光，可將圖中與θχ軸成135度角的方向上的部分內的光的強度與圖中成45度角的方向上的部分內的光的強度平均，如圖10(b)所示。結果，θχ<0且θγ O且Θ Y > O的區域、θ χ O區域以及θ χ > O且Θ Y < O的區域內的光的強度彼此相等，得出的光分布特徵具有良好的對稱性。圖11示出了使用發光元件的光源單元的構造的圖。圖11由(a)中的平面圖和(b)中的側視圖組成。在圖像顯示設備中，通常使用多個發光元件以便增加投影圖像的亮度。另外，可使用柱形積分器(rod integrator)將從多個發光元件發出的光合併，提高屏幕上的光強分布的均勻性。在這種情況下，通過使用四個發光元件1101至1104和柱形積分器1105來構造光源單元。如果柱形積分器在X-Y平面具有WXW的尺寸，長度為L，且折射率為n，則有W =LtanΦ (Φ = SirT1(IAO)t5另外，如果柱形積分器1105的中心與原點對應,則四個發光元 件1101至1104在X-Y平面內的中心在X = 土W/4，Y= 土W/4的位置。柱形積分器1105在射出面上疊加從入射面的任意點發出的光以提高射出面上的光強分配的均勻性。可選擇四個發光元件1101至1104的中心作為入射面上的點的代表，且當從四個發光元件1101至1104的中心發出的光在射出面上被彼此疊加時，計算射出面上的光強的分配。圖12示出了計算光源單元的射出面上的光強分布的示例的圖。在圖12(a)中示出了在使用圖19中所示的半波片層的情況下進行計算的示例。在圖12(b)中示出了在使用圖3中所示的半波片層的情況下進行計算的示例。圖中的水平方向和垂直方向分別與X軸方向和Y軸方向上的位置相對應，且指示範圍為-W/2 ^ X ^ +W/2和-W/2 ^ Y ^ +W/2。在圖中，與位置相對應的光的強度由等強度輪廓線表示。在使用圖19中所示的半波片層的情況下，如圖12(a)中所示，在圖中與θ χ軸成135度角的方向上的部分內的光的強度較弱(與光軸垂直的平面內)，而在圖中與θχ軸成45度角的方向上的部分內的光的強度較強(與光軸平行的平面內)。因此，在X < O且Y
O且Y > O的區域內的光強較高，而在X O的區域以及X> O且Y < O的區域內的光強較低，得出的光強分布的均勻性程度很低。另一方面，在使用圖3中所示的半波片層情況下，通過第二區域304的光在光源單元的射出面上的強度分布與圖12(a)中所示的強度分布相同，通過第四區域306的光在光源單元的射出面上的強度分布與將圖12(a)中所示的X-Y平面內的光強分布特性轉動90度得出的結果相符。因此，通過將這兩種光互相疊加，圖中與X軸成135度角的方向上的部分內的光的強度以及圖中與X軸成45度角的方向上的部分內的光的強度被平均，如圖12(b)所示。因此，在X < O且Y O且Y > O的區域、X O的區域以及X > O且Y < O的區域內的光的強度彼此相等，得出的光強分布具有良好的均勻度。假定在圖像顯示設備中，光源單元的射出面上-3W/8彡X彡+3W/8以及-3W/8彡Y彡+3W/8的區域通過聚光透鏡成像到光閥上，並通過投影透鏡進一步成像到屏幕上。在使用圖19中所示的半波片層情況下，通過用屏幕上的光強的標準偏差σ除以光強的平均值μ而計算出的值為O. 242，而在使用圖3中所示的半波片層情況下計算出的值為O. 014。如果σ/μ的值減小，則屏幕上的光強分布的均勻性提高，投影圖像的亮度不均勻性受到限制。對於使用圖19中所示的半波片層的情況，注意了通過第二區域1904的光。但是事實上需要注意包括了通過第一區域1903的光的光。通過第一區域1903的光在光源單元的射出面上的光強分布大致是均勻的。因此，如果將包括此光的光考慮在內，σ/μ的值大約為O. 242的一半。對於使用圖3中所示的半波片層的情況，考慮了通過第二區域304和第四區域306的光。但是事實上不需要考慮包括通過第一區域303和第三區域305的光的光。通過第一區域303和第三區域305的光在光源單元的射出面上的光強分布大致是均勻的。因此，如果將包括此光的光考慮在內，σ/μ的值大約為O. 014的一半。如以上描述的那樣，在使用日本專利申請No. 2009-243367中提出的發光元件和圖19中所示的半波片層的情況下，存在這樣的可能性屏幕上的光強分布是不均勻的，這取決於光分布特徵的對稱性，因此在投影圖像中可能出現亮度不均勻的情況。相比之下，在 包括本發明的發光元件的圖像顯示設備中使用圖3中所示的半波片層的情況下，屏幕上的光強分布很均勻，且投影圖像中幾乎不會發生亮度不均勻的情況，因為該發光元件的光分布特徵具有良好的對稱性。已針對在本發明的發光元件中使用圖3中所示的半波片層的情況進行了描述。很容易理解，因為半波片層具有兩個光軸相互垂直的區域，所以在使用圖4、6或7中所示的半波片層的情況下均能獲得同樣的效果。圖13是示出使用根據本發明的發光元件的圖像顯示設備的示例性實施例的構造的框圖。本示例性實施例的圖像顯示設備通過使用分別由多個像素形成的液晶顯示裝置1303R、1303G和1303B來形成圖像。每個像素具有液晶分子，這些分子的定向可被分別控制。圖13中所示的圖像顯示設備具有生成紅光的光源單元1301R、生成綠光的光源單元1301G和生成藍光的光源單元1301B。每個光源單元包括四個根據本發明的發光元件以及柱形積分器，如以上參考圖11所描述的那樣。光源單元1301R中產生的紅光通過聚光透鏡1302R被施加到顯示紅色圖像的液晶顯示裝置1303R。這樣在液晶顯示裝置1303R中產生的紅色圖像光進入顏色合併稜鏡1304。光源單元1301G中產生的綠光通過聚光透鏡1302G被施加到顯示綠色圖像的液晶顯示裝置1303G。這樣在液晶顯示裝置1303G中產生的綠色圖像光進入顏色合併稜鏡1304。光源單元1301B中產生的藍光通過聚光透鏡1302B被施加到顯示藍色圖像的液晶顯示裝置1303B。這樣在液晶顯示裝置1303B中產生的藍色圖像光進入顏色合併稜鏡1304。進入顏色合併稜鏡1304中的紅色圖像光、綠色圖像光和藍色圖像光在顏色合併稜鏡1304中被合併，被合併的圖像光通過投影透鏡1305被投影到屏幕上。與具有相似構造並使用未將發出的光的偏振均勻化的光源單元的圖像顯示設備相比，由於在液晶顯示裝置1303R、1303G和1303B中未造成50%的光學損耗，因此本示例性實施例的圖像顯示設備能夠將亮度加倍。圖14是示出使用根據本發明的發光元件的圖像顯示設備的示例性實施例的構造的框圖。本示例性實施例的圖像顯示設備通過使用由多個像素形成的微鏡(miCTomirror)裝置1404來形成圖像，每個像素均具有微鏡，其角度可被分別控制。
圖14中所示的圖像顯示設備具有生成紅光的光源單元1401R、生成綠光的光源單元1401G和生成藍光的光源單元1401B。每個光源單元包括四個根據本發明的發光元件以及柱形積分器，如以上參考圖11所描述的那樣。光源單元1401R中產生的紅光通過聚光透鏡1402R進入顏色合併稜鏡1403。光源單元1401G中產生的綠光通過聚光透鏡1402B進入顏色合併稜鏡1403。光源單元1401B中產生的藍光通過聚光透鏡1402B進入顏色合併稜鏡1403。可對光源單元1401R、光源單元1401G和光源單元1401B進行控制以使各個顏色的發光狀態被連續地改變。紅光、綠光和藍光從顏色合併稜鏡1403被相繼地施加到微鏡裝置1404。微鏡裝置1404根據相繼施加到其上的顏色顯示圖像。從而在微鏡裝置1404中產生的紅色圖像光、綠色圖像光和藍色圖像光通過投影透鏡1405依次被投影到屏幕上。
顏色合併稜鏡1403反射紅光的所有S偏振分量，允許綠光的所有P偏振分量通過，並反射藍光的所有S偏振分量。然而，顏色合併稜鏡1403隻反射紅光的P偏振分量的一部分，只允許綠光的S偏振分量的一部分通過，且只反射藍光的P偏振分量的一部分。因此，如果從光源單元發出的光的偏振不均勻，則顏色合併稜鏡1403中的紅光、綠光和藍光各自的這些偏振分量之一發生光學損耗，而另一個偏振分量不發生光學損耗。相比之下，在從光源單元發出的光為線性偏振光的情況下，如果進入顏色合併稜鏡1403的紅光為S偏振光、綠光為P偏振光，而藍光為S偏振光,則顏色合併稜鏡1403中的紅光、綠光和藍光內均不會發生光學損耗。也就是說，由於顏色合併稜鏡1403中未發生光學耗損，因此與具有相似構造且使用未將發出的光的偏振均勻化的光源單元的圖像顯示設備相比，本示例性實施例的圖像顯不設備能提聞売度。圖15是示出使用根據本發明的發光元件的圖像顯示設備的另一個示例性實施例的構造的框圖。本示例性實施例的圖像顯示設備通過使用由多個像素形成的微鏡裝置1505來形成圖像，每個像素均具有微鏡，其角度可被分別控制。圖15中所示的圖像顯示設備具有生成紅光的光源單元1501RP和1501RS、生成綠光的光源單元1501GP和1501GS以及生成藍光的光源單元1501BP和1501BS。每個光源單元均包括四個根據本發明的發光元件以及柱形積分器，如以上參考圖11所描述的那樣。光源單元1501RP和1501RS中產生的紅光分別作為P偏振光和S偏振光進入偏振分束器1502R。偏振分束器1502R允許P偏振光通過，並反射S偏振光。因此，在光源單元1501RP和1501RS中產生的紅光在偏振分束器1502R中被合併。合併的紅光通過聚光透鏡1503R進入顏色合併稜鏡1504。光源單元1501GP和1501GS中產生的綠光分別作為P偏振光和S偏振光進入偏振分束器1502G。偏振分束器1502G允許P偏振光通過，並反射S偏振光。因此，在光源單元1501GP和1501GS中產生的綠光在偏振分束器1502G中被合併。合併的綠光通過聚光透鏡1503G進入顏色合併稜鏡1504。光源單元1501BP和1501BS中產生的藍光分別作為P偏振光和S偏振光進入偏振分束器1502B。偏振分束器1502B允許P偏振光通過，並反射S偏振光。因此，在光源單元1501BP和1501BS中產生的藍光在偏振分束器1502B中被合併。合併的藍光通過聚光透鏡1503B進入顏色合併稜鏡1504。可對光源單元1501RP和1501RS、光源單元1501GP和1501GS以及光源單元1501BP和1501BS進行控制以使各個顏色的發光狀態可相繼被改變。紅光、綠光和藍光從顏色合併稜鏡1504被相繼地施加到微鏡裝置1505。微鏡裝置1505根據相繼施加到其上的顏色顯示圖像。從而在微鏡裝置1505中產生的紅色圖像光、綠色圖像光和藍色圖像光通過投影透鏡1506被依次投影到屏幕上。如果從光源單元發出的光的偏振不均勻，則即便光源單元的數量與具有圖14中所示的構造的圖像顯示設備相比已加倍，亮度也不能被提高，因為在偏振分束器中發生了50%的光學損耗。相比之下，在從光源單元發出的光為線性偏振光的情況下，由於在偏振分束器中未發生50%的光學損耗，因此與具有圖14中所示的構造的圖像顯示設備相比，由於光源單元的數量加倍，則亮度可被加倍。圖16是示出用於圖13中所示的圖像顯示設備的驅動系統的配置的圖。驅動電路1602R、1602G和1602B分別驅動光源單元1301R、1301G和1301B。因此，在圖像顯示操作過程中光源單元1301RU301G和1301B總是保持發光狀態。光源單元1301R、1301G和1301B也可以由一個驅動電路來驅動。圖像信號處理電路1601根據由外部個人電腦(PO、圖像再現設備等提供的輸入圖像信號產生用於顯示紅色圖像、綠色圖像和藍色圖像的信號，並將這些信號提供給驅動電路 1603R、1603G 和 1603B。驅動電路1603R、1603G和1603B通過由圖像信號處理電路1601提供的信號分別驅動液晶顯示裝置1303R、1303G和1303B。從而液晶顯示裝置1303R、1303G和1303B分別
顯示紅色圖像、綠色圖像和藍色圖像。圖17是示出用於圖14中所示圖像顯示設備的驅動系統的配置的圖。圖像信號處理電路1701根據由外部個人電腦(PO、圖像再現設備等提供的輸入圖像信號產生用於顯示紅色圖像、綠色圖像和藍色圖像的信號，並將這些信號一個接一個地提供給驅動電路1703。在將用於顯示紅色圖像的信號提供給驅動電路1703的同時，圖像信號處理電路1701產生用於產生紅光的信號，並將此信號提供給驅動電路1702R。在將用於顯示綠色圖像的信號提供給驅動電路1703的同時，圖像信號處理電路1701產生用於產生綠光的信號，並將此信號提供給驅動電路1702G。在將用於顯示藍色圖像的信號提供給驅動電路1703的同時，圖像信號處理電路1701產生用於產生藍光的信號，並將此信號提供給驅動電路1702B。驅動電路1703通過由圖像信號處理電路1701提供的信號驅動微鏡裝置1404。從而微鏡裝置1404依次顯示紅色圖像、綠色圖像和藍色圖像。驅動電路1702R、1702G和1702B通過由圖像信號處理電路1701提供的信號分別驅動光源單元1401R、1401G和1401B。當微鏡裝置1404顯示紅色圖像時，光源單元1401R從而被照亮；當微鏡裝置1404顯示綠色圖像時，光源單元1401G從而被照亮；而當微鏡裝置1404顯示藍色圖像時，光源單元1401B被照亮。、圖18是示出用於圖15中所示圖像顯示設備的驅動系統的配置的圖。
圖像信號處理電路1801根據由外部個人電腦(PO、圖像再現設備等提供的輸入圖像信號產生用於顯示紅色圖像、綠色圖像和藍色圖像的信號，並將這些信號一個接一個提供給驅動電路1803。在將用於顯示紅色圖像的信號提供給驅動電路1803的同時，圖像信號處理電路1801產生用於產生紅光的信號，並將此信號提供給驅動電路1802RP和1802RS。在將用於顯示綠色圖像的信號提供給驅動電路1803的同時，圖像信號處理電路1801產生用於產生綠光的信號，並將此信號提供給驅動電路1802GP和1802GS。在將用於顯示藍色圖像的信號提供給驅動電路1803的同時，圖像信號處理電路180 1產生用於產生藍光的信號，並將此信號提供給驅動電路1802BP和1802BS。驅動電路1803通過由圖像信號處理電路1801提供的信號驅動微鏡裝置1505。從而微鏡裝置1505依次顯示紅色圖像、綠色圖像和藍色圖像。驅動電路1802RP、1802RS、1802GP、1802GS、1802BP 和 1802BS 通過由圖像信號處理電路1801提供的信號分別驅動光源單元1501RP、1501RS、1501GP、1501GS、1501BP和1501BS。當微鏡裝置1505顯示紅色圖像時，光源單元1501RP和1501RS從而被照亮；當微鏡裝置1505顯示綠色圖像時，光源單元1501GP和1501GS被照亮；當微鏡裝置1505顯示藍色圖像時，光源單元1501BP和1501BS被照亮。本申請基於並要求2010年3月11日提交的日本專利申請No. 2010-054428的優先權，其全部內容通過引用結合於此。標號說明100發光元件101 基塊102P 型電極103反射層104P型半導體層105活性層106N型半導體層107N 型電極108偏振器層109半波片層
權利要求
1.一種發光元件，具有產生光的活性層，所述發光元件包括 偏振器層，其具有第一區域和第二區域，所述第一區域允許活性層中產生的光中沿第一方向的偏振分量通過並反射其它偏振分量，所述第二區域允許沿與所述第一方向垂直的第二方向的偏振分量通過並反射其它偏振分量； 波長片層，其具有第三區域和第五區域，以及第四區域和第六區域，從所述第一區域發出的光進入所述第三區域和第五區域中，從所述第二區域發出的光進入所述第四區域和第六區域中，所述波長片層使進入第三至第六區域內的光作為相同偏振狀態的光射出；和 反射層，其反射被所述第一區域和所述第二區域反射的光， 其中，所述第三區域與所述第五區域、或所述第四區域與所述第六區域的光軸方向相互垂直。
2.根據權利要求I所述的發光元件，其中，所述第一區域、所述第二區域以及第三至第六區域被布置為彼此相鄰的條狀。
3.根據權利要求I所述的發光元件，其中，所述第一區域、所述第二區域以及第三至第六區域彼此相鄰地交錯排列。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的發光元件，其中，所述第三區域和所述第五區域中的每一者允許入射光射出，而不給予光偏振旋轉角度；所述第四區域允許入射光射出，但給予光90度的偏振旋轉角度；所述第六區域允許入射光射出，但給予光270度的偏振旋轉角度。
5.根據權利要求I至3中任一項所述的發光元件，其中，所述第三區域允許入射光射出，而給予光預定的偏振旋轉角度；所述第五區域允許入射光射出，而給予光下述偏振旋轉角度該角度是通過在所述第三區域給出的偏振旋轉角度上加180度而得到的；所述第四區域允許入射光射出，而給予光下述偏振旋轉角度該角度是通過在所述第三區域給出的偏振旋轉角度上加90度而得到的；所述第六區域允許入射光射出，而給予光下述偏振旋轉角度該角度是通過在所述第三區域給出的偏振旋轉角度上加270度而得到的。
6.一種使用根據權利要求I至5中任一項所述的發光元件的圖像顯示設備。
全文摘要
為實現了具有高效率、能增加亮度並能發出光分布特徵具有良好的對稱性的線性偏振光的發光元件，一種發光元件具有產生光的活性層並設有偏振器層，其具有允許活性層內產生的光的第一方向偏振分量通過並反射其它偏振分量的第一區域、允許與第一方向垂直的第二方向偏振分量通過並反射其它偏振分量的第二區域；波長片層，其具有從第一區域發出的光所進入的第三區域和第五區域、從第二區域發出的光所進入的第四區域和第六區域，波長片層使進入第三至第六區域的光作為相同偏振狀態的光射出；反射層，其反射被第一區域和第二區域反射的光。第三區域與第五區域、或第四區域與第六區域的光軸方向相互垂直。
文檔編號H01L33/10GK102792468SQ20118001265
公開日2012年11月21日 申請日期2011年3月10日 優先權日2010年3月11日
發明者片山龍一 申請人:日本電氣株式會社