顯示元件、顯示設備和投影顯示設備的製作方法

2023-05-20 10:10:36

專利名稱：顯示元件、顯示設備和投影顯示設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用表面等離子激元來發光的顯示元件、顯示設備和投影顯示設備。
背景技術：
已經提出了一種具有固態光源的投影儀，該固態光源利用諸如發光二極體(LED)或半導體雷射器(LD)之類的發光元件作為光源。具有這種固態光源的投影儀具有從發光元件發出的光進入其中的照明光學系統；具有諸如液晶顯示面板或DMD (數字微鏡設備)之類的顯示元件的光閥，其中從照明光學系統出來的光進入液晶顯示面板；以及投影光學系統，其將從光閥出來的光投影到投影平面。對具有固態光源的投影儀有這樣的要求，即從發光元件到光閥的光路中光損耗最小，以便提高投影圖像的亮度。 另外，如非專利文獻I所述，這種具有固態光源的投影儀受到取決於光源的面積和發射角的乘積的集光率的限制。換言之，從光源發出的光不能用作投影光，除非光源的發光面積和發射角的乘積等於或小於光閥的入射面的面積與取決於該光學系統光圈值(Fnumber)的受光角(立體角)的乘積。因此，需要降低從發光元件發出的光的集光率，以便降低前述的光損耗。用於商用和家庭影院的具有固態光源的投影儀需要發出大約幾千流明的光束。因此，這種具有固態光源的投影儀需要提高從發光元件發出的光的光利用效率，並實現高亮度和高方向性。作為具有光利用效率已提高的光源的顯示元件的示例，如圖I中所示，已經公開了一種具有選擇性地遮擋從光源1204發出的入射光的MEMS (微機電系統)快門機構的空間光學調製器(參考專利文獻I)。這個顯示元件具有光源1204 ;光學腔1202，從光源1204發出的光1214進入光學腔1202中；對從光學腔1202出來的光1214進行調製的光學調製陣列1206 ;和覆蓋光學調製陣列1206的蓋板1207。光學腔1202具有光波導1208和以空氣間隙1213布置在光波導1208上的基板1210。在光波導1208上形成的是包括光散射元件1209的後反射面1212。光學調製陣列1206具有光透射區1222，從光學腔1202出射的光進入光透射區1222中；和MEMS快門機構，其包括能夠打開及關閉光透射區1222的快門1110。蓋板1207具有光透射區1114，穿過光學調製陣列1206的光透射區1222的光1214穿過光透射區1114。在這個顯示元件中，光1214在快門1110和光學腔1202之間被多次反射，重複利用光1214，並使其穿過光透射區1222。因此，該顯不兀件提聞了光源1204的光利用效率。專利文獻專利文獻I : JP2008-532069A公開(翻譯版)非專利文獻非專利文獻I :用於RPTV光引擎的PhlatLight TM光子晶格LED ;ChristianHoepfner ;SID 研討會文摘 37，1808 (2006) (PhlatLight TMPhotonic Lattice LEDs forRPTV Light Engines;Christian Hoepfner;SIDSymposium Digest 37, 1808(2006))

發明內容
如上所述，在具有固態光源的投影儀中，以預定或更大的發射角(例如，±15°的發射角)從光閥發出的光不進入投影光學系統，而成為光損耗。在專利文獻I提出的結構中，從光閥出來的光的方向性取決於離開照明光學系統並隨後進入光閥的光的方向性。因此，在專利文獻I中提出的結構中，當發射大約幾千流明光束的發光元件用作光源時，能夠實現高亮度。然而，難以使從顯示元件發出的光的發射角縮窄到小於±15°。換言之，專利文獻I中提出的顯示元件存在發出的光的方向性不恰當的缺點。換言之，專利文獻I中公開的結構不能夠實現普通投影儀需要的亮度和方向性二者都滿足的顯示元件。本發明的目的是提供能夠解決前述工程問題的顯示元件、顯示設備和投影顯示設 備。 為了實現前述目的，根據本發明的顯示元件包括光閥部分，該光閥部分具有在從發光元件發出的光的透射狀態和遮擋狀態之間切換的多個光學快門裝置；和基板，從該多個光學快門裝置出射的光透過該基板。該顯示元件還具有等離子激元耦合部分，其布置在基板上，並且使得利用從光閥部分出射的光而發生等離子激元耦合。等離子激元耦合部分包括載流子生成層，其利用從光閥部分出射的入射光生成載流子；等離子激元激發層，其層積在載流子生成層上方，並且具有比用從發光元件發出的光激發的載流子生成層中生成的光的頻率更高的等離子體頻率；和出射層，其布置在等離子激元激發層上方，並且將在等離子激元激發層中生成的光或者表面等離子激元轉換為具有預定出射角的光。等離子激元激發層夾在具有介電常數的兩個層之間。根據本發明的顯示設備包括本發明的顯示元件和至少一個發光元件。根據本發明的投影顯示設備包括本發明的顯示設備，和用從該顯示設備出射的光對投影圖像進行投影的投影光學系統。根據本發明，由於能夠滿足發出的光的亮度和方向性二者，因此能夠實現具有高亮度和高方向性的顯示元件。


圖I是描述專利文獻I中提出的結構的剖視圖。圖2是示意性示出根據第一實施例的顯示元件的剖視圖。圖3是示意性示出根據第一實施例的顯示元件的平面圖。圖4是示出根據第一實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的平面圖。圖5是描述在根據第一實施例的顯示元件中光的動作的剖視圖。圖6A是描述根據第一實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖6B是描述根據第一實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖6C是描述根據第一實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖6D是描述根據第一實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖6E是描述根據第一實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖7是示意性示出根據第二實施例的顯示元件的剖視圖。圖8是示意性示出根據第三實施例的顯示元件的剖視圖。圖9A是描述根據第三實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖9B是描述根據第三實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造 方法的剖視圖。圖9C是描述根據第三實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖9D是描述根據第三實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖9E是描述根據第三實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖9F是描述根據第三實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖9G是描述根據第三實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法剖視圖。圖9H是描述根據第三實施例的顯示元件的等離子激元耦合部分的製造方法的剖視圖。圖10是示意性地描述根據第四實施例的顯示元件的剖視圖。圖11是示意性地描述根據第五實施例的顯示元件的剖視圖。圖12是示出從根據第一實施例的顯示元件發出的光的角度分布的示意圖。圖13是示出從根據第二實施例的顯示元件發出的光的角度分布的示意圖。圖14是示意性示出根據本發明的實施例的具有固態光源的投影儀的透視圖，根據本發明的實施例的顯示元件應用於該投影儀。圖15是示意性示出根據本發明的另一實施例的具有固態光源的投影儀的透視圖，根據本發明的實施例的顯示元件應用於該投影儀。
具體實施例方式下面，將參考附圖描述本發明的實施例。(第一實施例)圖2是示意性示出根據本發明第一實施例的顯示元件的剖視圖。由於該顯示元件的各個層非常薄並且其厚度差別很大，所以難以用精確比例圖示各個層。因此，這些圖沒有以精確比例圖示各個層，而是示意性地圖示它們。如圖2中所示,根據該實施例的顯示元件I具有光閥部分10,包括多個快門機構14，作為在從發光元件25發出的光的透射狀態和遮擋狀態之間切換的多個光學快門裝置；和基板16，從快門機構14出射的光透過基板16。另外，顯示元件I具有多個等離子激元耦合部分11，這些等離子激元耦合部分11使得從光閥部分10出射的光發生等離子激元耦合。光閥部分10具有光導體12,從發光兀件25發出的光進入光導體12中；多個快門機構14，它們與從光導體12出射的光的位置相對應地布置；和基板16，在基板16上二維地且有規則地布置多個等離子激元耦合部分11。如圖2中所示，在光導體12的與多個等離子激元耦合部分11相反一側的底面上布置了控制發光強度特性的結構部件24，諸如微稜鏡或者散射部件。作為替代，光導體12可以具有布置在前述底面上的光漫射板(未示出)，或者包含分散的散射部件(未示出)。在光導體12的與底面相反的頂面上布置了反射膜13。反射膜13具有多個開口13a，開口 13a是對應於多個等離子激元耦合部分11的光透射區，並且從光導體12出射的光通過開口 13a進入等離子激元耦合部分11。反射膜13例如由諸如銀或鋁之類的金屬材料或者介電常數層壓膜製成。 快門機構14布置在基板16的與光導體12相對的底面上。快門裝置14各自具有能夠打開和關閉反射膜13的開口 13a的MEMS快門14a和使MEMS快門14a打開/關閉開口 13a的TFT (薄膜電晶體)14b。MEMS快門14a或者MEMS快門14a的光導體12 一側的面由反射率相對較高的反射材料製成。多個等離子激元耦合部分11以與光導體12上布置的反射膜13的開口 13a相對應的矩陣形狀布置為像素。同樣，多個快門機構14被布置成對應於由多個等離子激元耦合部分11組成的像素。圖2示出了組成三個像素的等離子激元耦合部分11。圖3示出了組成九個像素的等離子激元耦合部分11。等離子激元耦合部分11被布置成使得它們覆蓋快門機構14。如圖2所示，等離子激元耦合部分11各自具有載流子生成層17，其用從光導體12出射的部分光生成載流子；等離子激元激發層19，其層積在載流子生成層17上，並且其等離子體頻率高於用從發光元件25發出的光所激發的載流子生成層17中生成的光的頻率；和波數矢量轉換層23，其作為出射層層積在等離子激元激發層19上，並且對從等離子激元激發層19出射的光的波數矢量進行轉換並以發射具有預定出射角的光。另外，等離子激元耦合部分11各自具有夾在載流子生成層17和等離子激元激發層19之間的第一介電常數層18 ;和夾在等離子激元激發層19和波數矢量轉換層23之間的第二介電常數層22。第二介電常數層22具有比第一介電常數層18更高的介電常數。根據本實施例，一個發光元件25布置在作為平板狀光導體12的一個側面的光入射面12a上。發光元件25可以例如由發射具有載流子生成層17能夠吸收的波長的光的發光二極體(LED )、雷射二極體或者超輻射二極體構成。另外，發光元件25是發射具有能夠激發載流子生成層17的頻率的光的元件。從發光元件25發出的光例如是紫外光或者具有短波長的藍光。如果布置了多種類型的載流子生成層17，則可以使用發出能夠激發載流子生成層17的不同頻率的光的多種類型的發光兀件25。可以與光導體12的光入射面12a相分離地布置發光元件25。在這種情況下，發光元件25可以通過諸如光管之類的光導體光學連接到光導體12。作為替代，可以沿著光導體12的多個側面布置多個發光元件25。還作為替代，可以沿著光導體12的與等離子激元耦合部分11 一側相反的底面布置多個發光元件25。根據本實施例，光導體12是以平板形狀形成的。然而，光導體12的形狀不限於長方體形狀。作為替代，光導體12可以是以諸如楔形之類的另一形狀形成的。反射膜13可以完全形成在除去光入射面12a和開口 13a的光導體12的外周面上，或者可以部分地形成在光導體12的外周面上。反射膜13例如可以是由諸如銀或鋁之類的金屬材料或者介電常數層壓膜製成的。根據本實施例，提供了光導體12。作為替代，光導體12可以從光閥部分10中省略掉。例如，諸如發光元件25之類的光源可以與快門機構14相反地布置在基板16上(在快門機構14的光入射側)。載流子生成層17由如下材料製成諸如羅丹明6G或硝基羅丹明101之類的有機螢光物質；諸如CdSe或CdSe/ZnS量子點之類的量子點螢光物質；諸如GaN或GaAs之類的無機材料(半導體)；或者諸如(噻吩/亞苯基)共低聚物或Alq3之類的有機材料(半導體材料)。在使用螢光物質時，載流子生成層17中可以包含發光頻率相同或者發光頻率不同的多種螢光物質。優選的是，載流子生成層17的厚度是Iym或更小。
當等離子激元耦合部分11對應於R (紅)、G (綠)和B (藍)像素時，對應於R、G和B像素的載流子生成層17可以由不同材料製成。當等離子激元耦合部分11對應於單色像素(例如R)時，對應於各個像素的載流子生成層17可以由相同材料製成。在這種情況下，多個等離子激元耦合部分11不需要對應於各個像素而分離，而是整體地形成在一起。等離子激元激發層19是由等離子體頻率高於用發光元件25發出的光激發的載流子生成層17中生成的光的頻率(發光頻率)的材料製成的微粒層或薄膜層。換言之，在用從發光元件25發出的光激發的載流子生成層17中生成的光的發光頻率上，等離子激元激發層19的介電常數為負。等離子激元激發層19的材料的示例包括金、銀、銅、鉬、鈕、錯、鋨、釕、銥、鐵、錫、
鋅、鈷、鎳、鉻、鈦、鉭、鎢、銦、鋁及其合金。其中，優選的是，等離子激元激發層19的材料是金、銀、銅、鉬、鋁，或者包含這些金屬中的一種作為主要成分的合金。更優選的是，等離子激元激發層19的材料是金、銀、鋁，或者包含這些金屬中的一種作為主要成分的合金。優選的是，形成的等離子激元激發層19的厚度為200nm或更小。更優選的是，形成的等離子激元激發層19的厚度大約在IOnm到IOOnm的範圍內。當多個等離子激元耦合部分11對應於R、G和B像素時，對應於這些像素的等離子激元激發層19可以由不同材料製成。在這一點上，優選的是，對應於R像素的等離子激元激發層19由金或者包含金作為主要成分的合金製成；對應於G像素的等離子激元激發層19由金、銀或者包含金或銀作為主要成分的合金製成；對應於B像素的等離子激元激發層19由銀或者包含銀作為主要成分的合金製成。如果有必要的話，等離子激元激發層19和載流子生成層17可以整體地形成在一起，從而連續地形成R、G和B像素。如果該多個等離子激元耦合部分11對應於單色像素，則對應於各個像素的等離子激元激發層19可以由相同材料製成。根據本實施例的顯示元件I如此構成包括具有在等離子激元激發層19的載流子生成層17側上層積的第一介電常數層18和基板16的整個結構的入射側部分(在下文中簡稱為入射側部分)的有效介電常數，高於包括具有在等離子激元激發層19的波數矢量轉換層23側上層積的第二介電常數層22和接觸波數矢量轉換層23的介質的整個結構的出射側部分(在下文中簡稱為出射側部分)的有效介電常數。在等離子激元激發層19的載流子生成層17側上層積的整個結構包括第一介電常數層18、載流子生成層17和基板16。在等離子激元激發層19的波數矢量轉換層23側上層積的整個結構包括第二介電常數層22和波數矢量轉換層23。換言之，根據第一實施例，就等離子激元激發層19而言的包括基板16、載流子生成層17和第一介電常數層18的入射側部分的有效介電常數，高於就等離子激元激發層19而言的包括第二介電常數層22、波數矢量轉換層23和與波數矢量轉換層23相接觸的介質的出射側部分的有效介電常數。具體而言，等離子激元激發層19的入射側部分(載流子生成層17側)的複數有效介電常數的實部，被設置為低於等離子激元激發層19的出射側部分(波數矢量轉換層23偵D的複數有效介電常數的實部。 現在，用ε J λ。)表示第一介電常數層18的複數介電常數，用￡&(入。)表示其實部，用εΗ(λ。)表示其虛部，用ε (λ。)表示第二介電常數層22的複數介電常數，用^hr(A0)表示其實部，並用εω( λ。)表示其虛部，從而滿足I彡ε Γ(λο) < ehrU。)的關係，其中λ。是進入第一(第二)介電常數層的光在真空中的波長。優選地，發射光的頻率的虛部ε u ( λ。)和虛部ε hi ( λ。)儘可能低，以便使等離子激元耦合易於發生並降低光損耗。同樣，優選地第一介電常數層18的實部ε lr ( λ ο)儘可能低。由於能夠降低進入波數矢量轉換層23的光的角度，所以能夠有效地從顯示元件I中提取所發出的光。相反，優選地第二介電常數層22的實部ε^(λ。)儘可能高。由於能夠降低進入波數矢量轉換層23的光的角度，所以能夠有效地從顯示元件I中提取所發出的光。在下文中，除非另有說明，否則介電常數表示所發出的光的頻率的複數有效介電常數的實部。假定用X和y軸表示與等離子激元激發層19的界面平行的方向；用z軸表示與等離子激元激發層19的界面垂直的方向；用ω表示從載流子生成層17出射的光的角頻率；用ε (ω,χ, y, z)表示就等離子激元激發層19而言的入射側部分和出射側部分的電介質的介電常數分布；用kspp，z表示表面等離子激元的波數的z分量；並用j表示虛數單位，則複數有效介電常數可以表示如下。[公式I]
J, z)€xp{2jkspp^z)^ejr = -^.............................................................................. fff -.71-· · ·公式(I)
JJJexpW
D積分範圍D是就等離子激元激發層19而言的入射側部分或出射側部分的三維坐標形式的範圍。換言之，在積分範圍D中X軸和y軸方向上的範圍是不包括入射側部分或出射側部分所包括的結構的外周面上的介質的範圍，而是包括與等離子激元激發層19的界面平行的面的外邊緣的範圍。另一方面，在積分範圍D中z軸方向上的範圍是入射側部分或出射側部分(包括介質)的範圍。假定等離子激元激發層19和與其相鄰的層之間的界面在z=0的位置處，積分範圍D中z軸方向上的範圍是從該界面到與等離子激元激發層19的前述相鄰層側上的無限遠的範圍，並且遠離該界面的方向在公式(I)中稱為(+)z方向。
另一方面，假定用εffletal表示等離子激元激發層19的介電常數的實部，用1 表示真空中光的波數，則表面等離子激元的波數的z成分kspp，z和表面等離子激元的波數的X和y成分kspp可以表示如下。[公式2]=如Co" -Kj...公式(2)[公式3]k. - kQ ^^--
- 和禮+左一/·· · ·公式(3)這樣，通過將等離子激元激發層19的入射側部分的介電常數分布ε η(ω,χ, y, z)和等離子激元激發層19的出射側部分的介電常數分布ε_(ω，χ，γ，ζ)作為ε (ω,χ, y, z)代入到公式(I)、公式(2)和公式(3)中，得到就等離子激元激發層19而言的入射側部分的複數有效介電常數￡#&和就等離子激元激發層19而言的出射側部分的複數有效介電常數erffUt。實際上，通過給出適當的初始值作為複數有效介電常數eeff並且迭代地計算公式(I)、公式(2)和公式(3)，能夠容易地得到複數有效介電常數eeff。假定表面等離子激元的有效交互距離是表面等離子激元的強度變為e_2的距離，則表面等離子激元的有效交互距離drff可以表示如下。[公式4]
Id^· =Ml -Z——...公式⑷
L _優選的是，包括光導體12的任何層(除了載流子生成層17和等離子激元激發層19)和與波數矢量轉換層23接觸的介質的複數介電常數的虛部儘可能小。當複數介電常數的虛部被設置為儘可能小時，等離子激元耦合能夠容易地發生，並且能夠實現光損耗的降低。等離子激元耦合部分11的周圍介質，即與光導體12和波數矢量轉換層23相接觸的介質，可以是固體、液體或氣體。另外，光導體12側的周圍介質可以與波數矢量轉換層23側的周圍介質不同。優選的是，第一介電常數層18例如是SiO2納米棒陣列膜或者Si02、A1F3、MgF2,Na3AlF6, NaF、LiF、CaF2, BaF2或低介電常數塑料的多孔膜或薄膜。優選的是，第二介電常數層22是高介電常數材料，諸如金剛石、TiO2, CeO2, Ta2O5,ZrO2、Sb2O3、HfO2、La2O3、NdO3、Y2O3、ZnO 或 Nb2O5。圖4是示出等離子激元耦合部分11的波數矢量轉換層23的平面圖。波數矢量轉換層23是出射層，在該出射層上，對進入波數矢量轉換層23的光的波數矢量進行轉換，從第二介電常數層22中提取光，然後將該光從顯示元件I發出。換言之，波數矢量轉換層23將從第二介電常數層22出射的光的出射角轉換為預定的角度，使得顯示元件I發出具有轉換後的角度的光。即，波數矢量轉換層23使顯示元件I以與第二介電常數層22的界面幾乎正交的方向發出光。波數矢量轉換層23例如具有表面起伏柵格；以光子晶體為代表的周期性結構；準周期性結構；包含缺陷的這些結構之一；波長大於從顯示元件I發出的光的波長的紋理結構；粗糙表面結構；全息圖；或者微透鏡陣列。準周期性結構表示準晶體結構，其是具有晶體所不允許的5個對稱或10個對稱的特殊相干結構。其中，優選的是，波數矢量轉換層23是以光子晶體為代表的周期性結構、準周期性結構、包含缺陷的這些結構之一或者微透鏡陣列。它們不僅能夠提高光提取效率，而且能夠控制方向性。當波數矢量轉換層23是光子晶體時，優選的是，其具有圖4中示出的三角形柵格晶體結構。可以用這樣的方式形成波數矢量轉換層23 :在平面基板上形成周期性凸形結構或周期性凹形結構。將描述在具有前述結構的顯示元件I中，在從發光元件25發出的光進入光導體12之後一直到光從等離子激元耦合部分11的波數矢量轉換層23出射期間執行的光的動作。圖5是描述在顯示元件I中光的動作的剖視圖。如圖5中所不,從發光兀件25發出的光穿過光導體12的光入射面12a,且全反射 地在光導體12中傳播。當在光導體12中傳播的光到達結構部件24時，結構部件24改變光的方向，然後該光進入反射膜13的開口 13a中。這時，如果快門機構14的TFT 14b處於ON (開啟)狀態，則MEMS快門14a將被移動到開口 13a被暴露出來的位置。這樣，穿過開口13a的光通過基板16進入載流子生成層17。相反，如果TFT 14b處於OFF (關閉)狀態，則MEMS快門14a遮擋光並將其反射到光導體12。穿過反射膜13的開口 13a的光進入等離子激元耦合部分11，然後從波數矢量轉換層23出射。通過重複這個操作，大多數進入光導體12的光從所希望的構成像素的等離子激元耦合部分11出射。載流子生成層17用進入其中的光生成載流子。所生成的載流子與等離子激元激發層19中包含的自由電子進行等離子激元耦合。等離子激元耦合使光進入第二介電常數層22。波數矢量轉換層23衍射該光，然後該光從顯示元件I出射。從等離子激元激發層19和第二介電常數層22之間界面的一個點出射的光具有環形強度分布，其中光在傳播時以同心圓形狀展開。假定具有最高強度的出射角被稱為中心出射角，而從中心出射角到最高強度的一半強度的出射角的角寬度被稱為出射角寬度，從第二介電常數層22出射的光的中心出射角和出射角寬度取決於等離子激元激發層19的介電常數和夾住等離子激元激發層19的層的有效介電常數。假定用Λ表示波數矢量轉換層23的周期性結構的節距，用ε effout表示等離子激元激發層19的出射側部分(波數矢量轉換層23側)的複數有效介電常數，用ε 111表示周圍介質的介電常數，並用λ。表示從波數矢量轉換層23出射的光在真空中的波長，則從波數矢量轉換層23出射的光的中心出射角Qrad可以表不如下。[公式5]=Siu -^.....I......P=J-八.···公式(5)其中i是正或負整數。換言之，部分進入載流子生成層17的光以取決於等離子激元耦合部分11特性的方向從顯示元件I出射。由於從顯示元件I發出的光的發光強度分布僅取決於等離子激元耦合部分11的特性，所以顯示元件I可以具有高方向性。換言之，從顯示元件I發出的光的發光強度分布不取決於發光兀件25的發光強度分布。圖6A到圖6E示出顯示元件I的等離子激元耦合部分11的製造過程。這些圖中示出的製造過程只是示例，因此本發明不限於此。由於在其中形成等離子激元耦合部分11的光閥部分10是公知的透射型光閥，因此將省略對光閥部分10的製造過程的描述。首先，如圖6A中所示，利用旋轉塗覆技術在光閥部分10的基板16上塗覆抗蝕膜29。此後，如圖6B中所示，利用例如電子束、光刻或印刻技術除去與光導體12上形成的反射膜13的開口 13a對應的部分抗蝕膜29。此後，如圖6C所示，利用旋轉塗覆技術在基板16上塗覆載流子生成層17。此後，在載流子生成層17上形成第一介電常數層18，並隨後利用例如物理氣相沉積、電子束氣相沉積或濺射技術在第一介電常數層18上形成等離子激元激發層19。此後，在等離子激元激 發層19上形成第二介電常數層22。此後，在載流子生成層17上形成由光子晶體製成的波數矢量轉換層23。此後，如圖6D中所示，利用旋轉塗覆技術在波數矢量轉換層23上塗覆抗蝕膜32，並隨後利用例如電子束、光刻或印刻技術將光子晶體的相反圖案轉移到與開口 13a對應的抗蝕膜32上。利用幹法刻蝕技術將波數矢量轉換層23幹法刻蝕到所希望的深度。此後，如圖6E所示，從基板16上剝離抗蝕膜29和在抗蝕膜29上形成的構成等離子激元耦合部分11的各個層。結果，在與開口 13a對應的基板16的預定位置處形成了等離子激元耦合部分11。如上所述，根據第一實施例的顯示元件I中，從波數矢量轉換層23出射的光的出射角取決於等離子激元激發層19的入射側部分的有效介電常數及其出射側部分的有效介電常數。這樣，從顯示元件I發出的光的方向性不受發光元件25的方向性限制。另外，利用發光過程中的等離子激元耦合，根據本實施例的顯示元件I能夠使所發出的光的發射角變窄，並因此提高所發出的光的方向性。換言之，根據本實施例，不管發光元件25的集光率如何，都能夠降低從顯示元件I發出的光的集光率。另外，由於從顯示元件I發出的光的集光率不受發光元件25的集光率限制，因此如果提供多個發光元件25，則當從顯示元件I發出的光的集光率保持為低時，能夠合併發光元件25的入射光。下面，將描述根據其它實施例的顯示元件。根據其它實施例的顯示元件在等離子激元耦合部分或部分結構上不同於根據第一實施例的顯示元件。因此，在根據其它實施例的顯示元件中，用類似的標號表示那些與第一實施例類似的結構部分，並將省略其描述。(第二實施例)圖7是示意性地示出根據本發明第二實施例的顯示元件的剖視圖。根據第二實施例的顯示元件在等離子激元耦合部分的結構上不同於根據第一實施例的顯示元件I。在根據前述第一實施例的顯示元件I中，在等離子激元激發層19中激發的光從波數矢量轉換層23出射。根據第二實施例的顯示元件與根據第一實施例的顯示元件的不同之處在於在等離子激元激發層中出現的表面等離子激元作為光從波數矢量轉換層出射。等離子激元激發層的入射側部分的有效介電常數被設置為高於等離子激元激發層的出射側部分的有效介電常數。如圖7中所示，根據第二實施例的顯示元件2的等離子激元耦合部分21各自具有層積結構，其中載流子生成層32、等離子激元激發層19和波數矢量轉換層33相繼層積在光閥部分10的基板16上。可以在等離子激元激發層19和載流子生成層32之間布置第二介電常數層。或者，可以在等離子激元激發層19和波數矢量轉換層33之間布置第一介電常數層。第二介電常數層的介電常數被設置為高於第一介電常數層的介電常數。第一介電常數層和第二介電常數層的厚度須小於從公式(4)獲得的厚度。等離子激元激發層19夾在具有介電常數的兩個層之間。根據第二實施例，這兩個層對應於載流子生成層32和波數矢量轉換層33。在根據該實施例的顯示元件2中，就等離子激元激發層19而言的包括基板16和載流子生成層32的入射側部分的有效介電常數高於就等離子激元激發層19而言的包括波數矢量轉換層33和介質的出射側部分的有效介電常數。
具體而言，等離子激元激發層19的入射側部分(載流子生成層32側)的複數有效介電常數的實部被設置為高於等離子激元激發層19的出射側部分(波數矢量轉換層33側)的複數有效介電常數的實部。優選的是，包括光導體12 (不包括抗蝕膜32和等離子激元激發層19)的任何層和與波數矢量轉換層33接觸的介質的複數有效介電常數的虛部儘可能小。當複數介電常數的虛部被設置為儘可能小時，使等離子激元耦合易於發生，以便降低光損耗。將描述在具有前述結構的顯示元件2中，在從發光元件25發出的光進入等離子激元耦合部分21之後一直到光從波數矢量轉換層33出射期間執行的光的動作。像根據第一實施例的顯不兀件I 一樣，從發光兀件25發出的光穿過光閥部分10,然後進入所希望的構成像素的等離子激元耦合部分21。光通過光閥部分10進入載流子生成層32。載流子生成層32生成具有入射光的載流子。所生成的載流子與等離子激元激發層19中獲得的自由電子進行等離子激元耦合。通過等離子激元耦合，在等離子激元激發層19與波數矢量轉換層33之間的界面處激發表面等離子激元。波數矢量轉換層33衍射所激發的表面等離子激元，然後光從顯示元件2出射。如果在等離子激元激發層19與波數矢量轉換層33之間的界面處的介電常數是一致的，即該界面是平面，則不能提取在該界面處激發的表面等離子激元。因此，根據本實施例，由于波數矢量轉換層33使該界面處的介電常數變化，所以表面等離子激元作為光而被衍射並提取。從波數矢量轉換層33的一個點出射的光具有隨著光傳播而同心展開的環形發光強度分布。假定具有最高強度的出射角被稱為中心出射角，並用Λ表示波數矢量轉換層33的周期性結構的節距，則從波數矢量轉換層33出射的光的中心出射角Θ -可以表示如下。
, .2π)
Jr 猶 ι__
, 卿A[公式6] I =S SiiT ' t…公式(6)
\ /其中i是正整數或負整數。由於在等離子激元激發層19與波數矢量轉換層33之間的界面處的波數只是從公式(3)大致獲得的波數，因此從公式(6)獲得的從波數矢量轉換層33出射的光的角度分布同樣變窄。
像第一實施例一樣，在具有前述結構的根根據第二實施例的顯示元件2中，進入第二介電常數層22的一部分光以取決於等離子激元耦合部分21的特性的方向從顯示元件2出射。因此，由於從顯示元件2發出的光的發光強度分布僅取決於等離子激元耦合部分21的特性，所以顯示元件2可以具有高方向性。另外，由於根據第二實施例的顯示元件2比根據第一實施例的顯示元件I的層數少，所以能夠減少製造過程的步驟數量。(第三實施例)圖8是示意性示出了根據本發明第三實施例的顯示元件的剖視圖。根據第三實施例的顯示元件在等離子激元耦合部分的結構方面不同於根據第一實施例的顯示元件I。如圖8所示，根據第三實施例的顯示元件3的等離子激元耦合部分31具有層積結構，其中基底層28、載流子生成層37和等離子激元激發層39相繼層積在光閥部分10的基板16上。根據第三實施例的等離子激元激發層39具有周期性結構39a，周期性結構39a具·有前述波數矢量轉換層23和33的功能。周期性結構39a具有一維或二維柵格結構(崎嶇結構)。同樣，基底層28和載流子生成層37具有形狀與等離子激元激發層39的周期性結構39a相同的周期性結構。當光進入載流子生成層37時，在等離子激元激發層39和與其接觸的介質之間的界面及在載流子生成層37和等離子激元激發層39之間的界面出現表面等離子激元。這些表面等離子激元可以作為光以滿足如下的公式(9)的方向從等離子激元激發層39中提取。具體而言，用ω表示從載流子生成層37出射的光在真空中的角頻率，用c表示真空中的光速，用￡ ]_1表示等離子激元激發層39的介電常數，用esub表示載流子生成層37的介電常數，用ε medi表示與等離子激元激發層39接觸的介質的介電常數，用Icspixnredi表示在等離子激元激發層39和與其接觸的介質之間的界面處的表面等離子激元的波數，用kspp.sub表示載流子生成層37和等離子激元激發層39之間的界面處的表面等離子激元的波數，用Kx表示在等離子激元激發層39的周期性結構39a的x方向上的波數矢量，並用Ky表示在等離子激元激發層39的周期性結構39a的y方向上的波數矢量(其中xy平面是平行於基板16的平面)。[公式7]
權利要求
1.一種顯示元件，包括 光閥部分，其具有多個光學快門裝置和基板，所述多個光學快門裝置在從發光元件發出的光的透射狀態和遮擋狀態之間切換，從所述多個光學快門裝置出射的光透過所述基板；和 等離子激元耦合部分，其布置在所述基板上，並且使得利用從所述光閥部分出射的光發生等離子激元耦合； 其中，所述等離子激元耦合部分包括 載流子生成層，其利用從所述光閥部分出射的入射光生成載流子； 等離子激元激發層，其層積在所述載流子發生層上方，並且具有的等離子體頻率高於利用從所述發光元件發出的光激發的所述載流子生成層中生成的光的頻率；和 出射層，其層積在所述等離子激元激發層上方，並且將在所述等離子激元激發層中生成的光或者表面等離子激元轉換為具有預定出射角的光；並且其中，所述等離子激元激發層夾在具有介電常數的兩個層之間。
2.根據權利要求I所述的顯示元件，還包括 介電常數層，其被布置為與所述等離子激元激發層的所述出射層側和所述等離子激元激發層的所述載流子生成層側中的任一者或二者相鄰。
3.根據權利要求2所述的顯示元件， 其中，所述等離子激元激發層夾在一對所述介電常數層之間，並且其中，與所述等離子激元激發層的所述載流子生成層側相鄰的所述介電常數層的介電常數低於與所述等離子激元激發層的所述出射層側相鄰的所述介電常數層的介電常數。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的顯示元件， 其中，包括在所述等離子激元耦合部分的所述等離子激元激發層的所述載流子生成層側上層積的整個結構和所述基板的入射側部分的有效介電常數，低於包括在所述等離子激元激發層的所述出射層側上層積的整個結構和與所述出射層相接觸的介質的出射側部分的有效介電常數。
5.根據權利要求2所述的顯示元件， 其中，所述等離子激元激發層夾在一對所述介電常數層之間，並且其中，與所述等離子激元激發層的所述載流子生成層相鄰的所述介電常數層的介電常數，高於與所述等離子激元激發層的所述出射層側相鄰的所述介電常數層的介電常數。
6.根據權利要求1、2和5中任一項所述的顯示元件， 其中，包括在所述等離子激元耦合部分的所述等離子激元激發層的所述載流子生成層側上層積的整個結構和所述基板的入射側部分的有效介電常數，高於包括在所述等離子激元激發層的所述出射層側上層積的整個結構和與所述出射層相接觸的介質的出射側部分的有效介電常數。
7.根據權利要求4或6所述的顯示元件， 其中，所述有效介電常數是複數有效介電常數，其滿足 [公式I]
8.根據權利要求I至7中任一項所述的顯示元件， 其中，所述光閥部分具有光導體，從所述發光元件發出的光進入該光導體中，並且其中，所述光導體具有透射區，從所述發光元件發出的光通過該透射區進入所述等離子激元耦合部分。
9.根據權利要求8所述的顯示元件， 其中，所述等離子激元耦合部分被與所述透射區相對地布置。
10.根據權利要求I至9中任一項所述的顯示元件， 其中，所述多個光學快門裝置中的每個包括 快門部件，其在從所述發光元件發出的光所穿過的透射區的打開狀態和關閉狀態之間切換，和 驅動機構，其驅動所述快門部件。
11.根據權利要求I至9中任一項所述的顯示元件， 其中，所述多個光學快門裝置中的每個包括 連接部分，其被固定到所述基板，和 一對電極，其將所述連接部分移動到第一位置和第二位置，在所述第一位置處，從所述發光元件發出的光穿過所述基板，在所述第二位置處，從所述發光元件發出的光不穿過所述基板。
12.根據權利要求I至7中任一項所述的顯示元件， 其中，所述光閥部分具有包括所述基板的液晶面板，並且 其中，所述多個光學快門裝置中的每個由構成所述液晶面板的液晶分子製成。
13.根據權利要求I至12中任一項所述的顯示元件，其中，所述出射層由光子晶體製成。
14.根據權利要求I至13中任一項所述的顯示元件， 其中，所述等離子激元激發層包括紅色像素、綠色像素和藍色像素，紅色像素由Au或者包含Au為主要成分的合金製成,綠色像素由Au、Ag或者包含Au或Ag為主要成分的合金製成，藍色像素由Ag或者包含Ag為主要成分的合金製成。
15.—種顯不設備,包括 根據權利要求I至14中任一項所述的顯示元件；和 至少一個發光元件。
16.一種投影顯示設備，包括 根據權利要求15所述的顯示設備；和 投影光學系統，其利用從所述顯示設備出射的光對投影圖像進行投影。
全文摘要
本發明包括光閥部分(10)，其具有在從發光元件(25)發出的光的透射狀態和遮擋狀態之間切換的多個快門機構(14)和從多個快門機構出射的光通過其透射的基板(16)。顯示元件還具有等離子激元耦合部分(11)，其使得用從光閥部分(10)出射的光發生等離子激元耦合。等離子激元耦合部分(11)包括用從光閥部分(10)出射的入射光生成載流子的載流子生成層(17)，具有比用從發光元件(25)發出的光激發的載流子生成層(17)中生成的光的頻率更高的等離子體頻率的等離子激元激發層(19)，和將等離子激元激發層(19)中生成的光或表面等離子激元轉換為具有預定出射角的光的波數矢量轉換層(23)。等離子激元激發層(19)夾在第一介電常數層(18)和第二介電常數層(22)之間。
文檔編號B81B3/00GK102906621SQ20118002405
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月13日 優先權日2010年5月14日
發明者棗田昌尚, 今井雅雄, 齋藤悟郎, 富永慎 申請人:日本電氣株式會社