专利名称：显示元件、显示设备和投影显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用表面等离子激元来发光的显示元件、显示设备和投影显示设备。
背景技术：
已经提出了一种具有固态光源的投影仪，该固态光源利用诸如发光二极管(LED)或半导体激光器(LD)之类的发光元件作为光源。具有这种固态光源的投影仪具有照明光学系统，从发光元件发出的光进入该照明光学系统中；光阀，其具有显示元件，例如从照明光学系统出来的光进入到的液晶显示面板或者DMD (数字微镜设备)；和投影光学系统，其将从光阀出来的光投射到投影平面。对具有固态光源的投影仪有这样的要求从发光元件到光阀的光路中光损耗最小，以便提高投影图像的亮度。·此外，如非专利文献I所述，这种具有固态光源的投影仪受到集光率的限制，该集光率取决于光源的面积和发射角的乘积。换句话说，从光源发出的光不能用作投射光，除非光源的发光面积和发射角的乘积等于或小于光阀的入射面的面积与取决于光学系统光圈值(F number)的受光角(立体角)的乘积。因此，需要降低从发光元件发出的光的集光率，以便降低上述的光损耗。用于商用和家庭影院的具有固态光源的投影仪需要发出大约几千流明的光束。因此，这种具有固态光源的投影仪需要提高从发光元件发出的光的光利用效率，并实现高亮度和高方向性。作为具有光利用效率已提高的光源的显示元件的示例，如图I中所示，已经公开了一种具有选择性地遮挡从光源1204发出的入射光的MEMS(微机电系统)快门机构的空间光学调制器(参考专利文献I)。该显示元件具有光源1204 ;光学腔1202，从光源1204发出的光1214进入光学腔1202中；光学调制阵列1206，对从光学腔1202出来的光1214进行调制；和盖板1207，其覆盖光学调制阵列1206。光学腔1202具有光波导1208和利用空气间隙1213布置在光波导1208上的基板1210。在光波导1208上形成的是包括光散射元件1209的后反射面1212。光学调制阵列1206具有光透射区1222，从光学腔1202出来的光进入光透射区1222中；和MEMS快门机构，其包括能够打开和关闭光透射区1222的快门1110。盖板1207具有光透射区1114，穿过光学调制阵列1206的光透射区1222的光1214穿过光透射区1114。在该显示元件中，光1214在快门1110和光学腔1202之间被多次反射，重复利用光1214，并使其穿过光透射区1222。因此，该显不兀件提闻了光源1204的光利用效率。专利文献专利文献I JP2OO8-532O69A公开(翻译版)非专利文献非专利文献I :用于RPTV光引擎的PhlatLight TM光子晶格LED ;ChristianHoepfner ;SID 研讨会文摘 37,1808 (2006) (PhlatLight TMPhotonic Lattice LEDs forRPTV Light Engines ；Christian Hoepfner ；SIDSymposium Digest 37,1808(2006))。
发明内容
如上所述，在具有固态光源的投影仪中，以预定或更大的发射角(例如，±15°的发射角)从光阀发出的光未进入投影光学系统，而成为光损耗。在专利文献I提出的结构中，从光阀出来的光的方向性取决于从照明光学系统出来并随后进入光阀的光的方向性。因此，在专利文献I中提出的结构中，当发射大约几千流明光束的发光元件用作光源时，能够实现高亮度。然而，难以使从显示元件发出的光的发射角缩窄到小于±15°。换句话说，专利文献I中提出的显示元件存在发出的光的方向性不恰当的缺点。换句话说，专利文献I中公开的结构不能够实现普通投影仪需要的亮度和方向性二者都满足的显示元件。本发明的目的是提供能够解决上述工程问题的显示元件、显示设备和投影显示设备。 为了实现前述目的，根据本发明的显示元件包括光阀部分，该光阀部分具有在从发光元件发出的光的透射状态和遮挡状态之间切换的多个光学快门装置；和基板，从该多个光学快门装置出来的光透过该基板。该显示元件还包括等离子激元耦合部分，其布置在光阀部分中，并且使得利用从发光元件出来的光而发生等离子激元耦合。等离子激元耦合部分包括载流子生成层，其利用从发光元件出来的光生成载流子；以及等离子激元激发层，其层积在载流子生成层上方，并且具有比利用从发光元件发出的光所激发的载流子生成层中生成的光的频率更高的等离子体频率。出射层布置在基板上，或者布置在基板和等离子激元激发层之间，以便将在等离子激元激发层中生成的光或者表面等离子激元转换为具有预定出射角的光。等离子激元激发层夹在具有介电常数的两个层之间。根据本发明的显示设备包括本发明的显示元件和至少一个发光元件。根据本发明的投影显示设备包括本发明的显示设备，和利用从显示设备出来的光来投射出投影图像的投影光学系统。根据本发明，由于能够满足发出的光的亮度和方向性二者，因此能够实现具有高亮度和高方向性的显示元件。
图I是描述专利文献I中提出的结构的剖视图。图2是示意性示出根据第一实施例的显示元件的剖视图。图3是示意性示出根据第一实施例的显示元件的平面图。图4是示出根据第一实施例的显示元件的一对透明电极的透视平面图。图5A是描述根据第一实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的剖视图。图5B是描述根据第一实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的剖视图。图5C是描述根据第一实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的剖视图。
图是描述根据第一实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的剖视图。图5E是描述根据第一实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的剖视图。图5F是描述根据第一实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的剖视图。图6是描述根据第一实施例的显示元件中光的动作的剖视图。图7是示意性示出根据第二实施例的显示元件的剖视图。图8是示出根据第二实施例的显示元件的部分光学连接机构的平面图。
图9是示意性示出根据第三实施例的显示元件的剖视图。图10是示意性示出根据第四实施例的显示元件的剖视图。图11是示意性示出根据第五实施例的显示元件的剖视图。图12是示意性示出根据第六实施例的显示元件的剖视图。图13A是描述根据第六实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的首1J视图。图13B是描述根据第六实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的首1J视图。图13C是描述根据第六实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的首1J视图。图13D是描述根据第六实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的首1J视图。图13E是描述根据第六实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法的首1J视图。图14是示意性示出根据第七实施例的显示元件的剖视图。图15是描述根据第七实施例的显示元件中光的动作的剖视图。图16是示意性示出根据第八实施例的显示元件的剖视图。图17是示意性示出根据第九实施例的显示元件的剖视图。图18是示出从根据第四实施例的显示元件发出的光的角度分布的示意图。图19是示意性示出根据本发明的实施例的具有固态光源的投影仪的透视图，根据本发明的实施例的显示元件应用于该投影仪。图20是示意性示出根据本发明另一个实施例的具有固态光源的投影仪的透视图，根据本发明的实施例的显示元件应用于该投影仪。
具体实施例方式接下来，将参考附图描述本发明的实施例。(第一实施例)图2是示意性示出根据本发明第一实施例的显示元件的剖视图。由于该显示元件的各个层非常薄并且它们的厚度差别很大，所以难以用精确比例图示各个层。因此，这些附图没有以精确比例图示各个层，而是示意性地图示它们。
如图2中所示，根据本实施例的显示元件I具有光阀部分10，光阀部分10包括多个光学连接机构23，作为在从发光元件25发出的光的透射状态和遮挡状态之间切换的多个光学快门装置；和基板22，从多个光学连接机构23出来的光透过基板22。此外，显示元件I具有多个等离子激元耦合部分U，这多个等离子激元耦合部分11使得利用从布置在光阀部分10内的发光元件25出来的光而发生等离子激元耦合。显示元件I还具有作为出射层的波数矢量转换层19，其层积在光阀部分10的基板22上，并将在等离子激元耦合部分11中生成的光的波数矢量转换为具有预定出射角的光，然后该光从该出射层出射。光阀部分10具有光导体12,从发光兀件25发出的光进入光导体12中；多个光学连接机构23，其布置在与从光导体12出射的光相对应的位置处；和基板22，其布置在作为像素二维地布置的多个等离子激元耦合部分11上方。如图2中所示，在光导体12的与等离子激元耦合部分11相反一侧的底面上可以布置控制发光强度特性的多个结构部件，诸如微棱镜或散射部件。作为替代，光导体12可在上述底面上布置光漫射板(未示出)，或者包含分散的散射部件(未示出)。·如图2所示，光学连接机构23布置在基板22和光导体12之间。光学连接机构23具有垫片14，其在基板22和光导体12之间形成空间；和一对透明电极13a和13b，其移动固定到基板22的多个等离子激元耦合部分11。光学连接机构23例如是所谓的TMOS (时间复用光学快门)。图3是示出显示元件I的平面图。图4是示出显示元件I的一对透明电极13a和13b的透视平面图。如图2所示，垫片14布置在构成各个像素构的等离子激元耦合部分11之间。优选地，垫片14由对可见光而言透明的材料制成。该对透明电极13a和13b被布置为其将等离子激元耦合部分11夹在中间。一种透明电极13a以条带形状布置在光导体12上。如图3所示，另一种透明电极13b以条带形状布置在基板22的紧接下方。如图4所示，透明电极13a和13b以条带形状布置，使得它们彼此正交。根据本实施例的等离子激元耦合部分11固定在基板22下方。透明电极13b布置在基板22和等离子激元耦合部分11之间。在等离子激元耦合部分11的载流子生成层15(稍后将加以描述)和透明电极13a之间设有间隙。在光学连接机构23中，当在一对透明电极13a和13b之间施加电压时，二者之间产生静电力，从而使透明电极13b和基板22变形。当透明电极13b和基板22变形时，等离子激元耦合部分11在第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置处，从发光元件25发出的光穿过基板22，在第二位置处，从发光元件25发出的光不穿过基板22。当等离子激元耦合部分11移动到第一位置时，等离子激元耦合部分11的载流子生成层15与透明电极13a接触。这样，布置在基板22下方的所希望的等离子激元耦合部分21光学连接至光导体12。根据本实施例，透明电极13b布置在基板22的与光导体12相反的底面上。作为替代，透明电极13b可布置在基板22的出射侧平面上。然而，考虑到光学连接机构23的驱动电压，当在根据本实施例的结构中减小一对透明电极13a和13b之间的距离时，可降低功耗。因此，优选地，将透明电极13b布置在基板22的底面。
多个等离子激元耦合部分11以矩阵形状布置在光阀部分10中的基板22和光导体12之间，使得多个等离子激元耦合部分11构成像素。同样地，多个光学连接机构23被布置为与由多个等离子激元耦合部分11构成的像素相对应。换句话说，图2示出了构成三个像素的等离子激元耦合部分11。每一个像素的内部，即被垫片14包围的区域，可用诸如氮气或氩气之类的惰性气体填充。等离子激元耦合部分11可应用于具有任意结构的任何透射型光阀。如图2所示，每一个等离子激元耦合部分11具有载流子生成层15，其利用从光导体12出射的部分光生成载流子；和等离子激元激发层17，其层积在载流子生成层15上，并具有比利用发光元件25发出的光所激发的载流子生成层15中生成的光的频率更高的等离子体频率。此外，每一个等离子激元耦合部分11具有夹在载流子生成层15和等离子激元激发层17之间的第一介电常数层16 ;和夹在等离子激元激发层17和透明电极13b之间的第二介电常数层18。第二介电常数层18的介电常数高于第一介电常数层16的介电常数。
根据本实施例，一个发光兀件25布置在光入射面12a上,光入射面12a是平板状光导体12的一个侧面。发光元件25例如可由发出波长能够被载流子生成层15吸收的光的光发二极管(LED)、激光二极管或超辐射二极管构成。此外，从发光元件25发出的光是其频率能激发载流子生成层15的光。从发光元件25发出的光例如是紫外光或者波长较短的蓝光。如果布置多种类型的载流子生成层15，则可以使用发出能够激发载流子生成层15的不同频率的光的多种类型的发光元件25。可以与光导体12的光入射面12a相分离地布置发光元件25。在这种情况下，发光元件25可以通过诸如光管之类的光导体光学连接至光导体12。作为替代，可以沿着光导体12的多个侧面布置多个发光元件25。还作为替代，可以沿着光导体12的与等离子激元耦合部分11相反一侧的底面布置多个发光元件25。根据本实施例，光导体12是以平板形状形成的。然而，光导体12的形状并不局限于长方体形状。作为替代，光导体12可以是以诸如楔形之类的另一种形状形成的。反射膜可以全部或部分地形成在除光入射面12a以外的光导体12的外周面上。例如，反射膜可由诸如银或铝之类的金属材料或者介电常数层压膜制成。载流子生成层15由以下材料制成诸如罗丹明6G或硝基罗丹明101之类的有机荧光物质；诸如CdSe或CdSe/ZnS量子点之类的量子点荧光物质；诸如GaN或GaAs之类的无机材料(半导体)；或者诸如(噻吩/亚苯基)共低聚物或Alq3之类的有机材料(半导体材料)。当使用荧光物质时，载流子生成层15中可以包含发光频率相同或者发光频率不同的多种荧光物质。优选地，载流子生成层15的厚度为Iym或更小。当等离子激元耦合部分11与R(红色)、G (绿色)和B (蓝色)像素相对应时，与R、G和B像素相对应的载流子生成层15可由不同材料制成。当等离子激元耦合部分11与单色像素(例如R)相对应时，与各个像素相对应的载流子生成层15可由相同材料制成。在这种情况下，多个等离子激元耦合部分11不需要与各个像素相对应地分开，而是整体形成在一起。等离子激元激发层17是由等离子体频率高于利用从发光元件25发出的光所激发的载流子生成层15中生成的光的频率(发光频率)的材料制成的微粒层或薄膜层。换句话说，在利用发光元件25发出的光所激发的载流子生成层15中生成的光的发光频率上，等离子激元激发层17具有负介电常数。等离子激元激发层17的材料的示例包括金、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，优选地，等离子激元激发层17的材料为金、银、铜、钼、铝，或者包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。更优选地，等离子激元激发层17的材料为金、银、铝，或者包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。优选地，形成的等离子激元激发层17的厚度为200nm或更小。更优选地，形成的等离子激元激发层17的厚度在IOnm到IOOnm的大致范围内。当多个等离子激元耦合部分11与R、G和B像素对应时，与这些像素相对应的等离子激元激发层17可以由不同材料制成。在这一点上，优选地，与R像素对应的等离子激元激发层17由金或者包含金作为主要成分的合金制成；与G像素对应的等离子激元激发层17由金、银或者包含金或银作为主要成分的合金制成；与B像素对应的等离子激元激发层17由银或者包含银作为主要成分的合金制成。如果必要的话，等离子激元激发层17和载流子生成层15可以整体地形成在一起，使得连续地形成R、G和B像素。如果多个等离子激元耦 合部分11与单色像素相对应，则与各个像素相对应的等离子激元激发层17可以由相同材料制成。根据本实施例的显示元件I如此构成包括具有在等离子激元激发层17的载流子生成层15侧上层积的第一介电常数层16的整个结构和光导体12的入射侧部分(在下文中简称为入射侧部分)的有效介电常数，高于包括具有在等离子激元激发层17的波数矢量转换层19侧上层积的第二介电常数层18的整个结构、基板22、波数矢量转换层19和与波数矢量转换层19相接触的介质的出射侧部分(在下文中简称为出射侧部分)的有效介电常数。在等离子激元激发层17的载流子生成层15侧上层积的整个结构包括第一介电常数层16、载流子生成层15和透明电极13a。在等离子激元激发层17的波数矢量转换层19侧上层积的整个结构包括第二介电常数层18、透明电极13b、基板22和波数矢量转换层19。换句话说，根据第一实施例，相对于等离子激元激发层17而言的包括透明电极13a、载流子生成层15和第一介电常数层16的入射侧部分的有效介电常数，高于相对于等离子激元激发层17而言的包括第二介电常数层18、透明电极13b、基板22、波数矢量转换层19和与波数矢量转换层19接触的介质的出射侧部分的有效介电常数。具体地，等离子激元激发层17的入射侧部分(载流子生成层15侧)的复数有效介电常数的实部被设置为低于等离子激元激发层17的出射侧部分(波数矢量转换层19侧)的复数有效介电常数的实部。现在，以ε J λ。)表示第一介电常数层16的复数介电常数，以ε&(λ。)表示其实部，以Sli(Xtj)表示其虚部；以eh(X。)表示第二介电常数层18的复数介电常数，以^hr(A0)表示其实部，以εω(λ。)表示其虚部，从而满足I彡ε Γ(λο) < Ehr(Ao)的关系，其中λ。是进入第一(第二)介电常数层的光在真空中的波长。优选地，发射光的频率的虚部ε u ( λ。)和虚部ε hi ( λ。)尽可能低，以便使等离子激元耦合易于发生并降低光损耗。同样，优选地，第一介电常数层16的实部ε lr(Ao)尽可能小。由于能够降低进入波数矢量转换层19的光的角度，所以能够有效地从显示元件I中提取所发出的光。相反，优选地，第二介电常数层18的实部ShrUJ尽可能大。由于能够降低进入波数矢量转换层19的光的角度，所以能够有效地从显示元件I中提取所发出的光。在下文中，除非另有说明，否则介电常数表示所发出的光的频率的复数有效介电常数的实部。假设用X和y轴表示与等离子激元激发层17的界面平行的方向；用z轴表示与等离子激元激发层17的界面垂直的方向；用ω表示从载流子生成层15出射的光的角频率；用ε (ω，X，y，z)表示就等离子激元激发层17而言的入射侧部分和出射侧部分处的电介质的介电常数分布丨用匕^^表示表面等离子激元的波数的z分量；并用j表示虚数单位，则复数有效介电常数可以表示如下。
权利要求
1.一种显示元件，包括 光阀部分，其具有多个光学快门装置和基板，所述多个光学快门装置在从发光元件发出的光的透射状态和遮挡状态之间切换，从所述多个光学快门装置出射的光透过所述基板；和 等离子激元耦合部分，其布置在所述光阀部分内，并且使得利用从所述发光元件出射的光发生等离子激元耦合， 其中，所述等离子激元耦合部分包括 载流子生成层，其利用从所述发光元件出射的光来生成载流子，和 等离子激元激发层，其被层积在所述载流子生成层上方，并且具有比利用从所述发光元件发出的光激发的所述载流子生成层中生成的光的频率更高的等离子体频率， 其中，在所述基板上或者在所述基板与所述等离子激元激发层之间布置出射层，以便 将在所述等离子激元激发层中生成的光或表面等离子激元转换为具有预定出射角的光，并且 其中，所述等离子激元激发层夹在具有介电常数的两个层之间。
2.根据权利要求I所述的显示元件，还包括 介电常数层，其被布置为与所述等离子激元激发层的所述出射层侧和所述等离子激元激发层的所述载流子生成层侧中的一者或二者相邻。
3.根据权利要求2所述的显示元件， 其中，所述等离子激元激发层夹在一对所述介电常数层之间，并且 其中，与所述等离子激元激发层的所述载流子生成层侧相邻的所述介电常数层的介电常数低于与所述等离子激元激发层的所述出射层侧相邻的所述介电常数层的介电常数。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的显示元件， 其中，包括在所述等离子激元耦合部分的所述等离子激元激发层的所述载流子生成层侧上层积的整个结构和所述基板的入射侧部分的有效介电常数，低于包括在所述等离子激元激发层的所述出射层侧上层积的整个结构、所述出射层和与所述出射层或所述基板侧相接触的介质的出射侧部分的有效介电常数。
5.根据权利要求2所述的显示元件， 其中，所述等离子激元激发层夹在一对所述介电常数层之间，并且 其中，与所述等离子激元激发层的所述载流子生成层侧相邻的所述介电常数层的介电常数高于与所述等离子激元激发层的所述出射层侧相邻的所述介电常数层的介电常数。
6.根据权利要求1、2和5中任一项所述的显示元件， 其中，包括在所述等离子激元耦合部分的所述等离子激元激发层的所述载流子生成层侧上层积的整个结构和所述基板的入射侧部分的有效介电常数，高于包括在所述等离子激元激发层的所述出射层侧上层积的整个结构、所述出射层和与所述出射层或所述基板侧相接触的介质的出射侧部分的有效介电常数。
7.根据权利要求4或6所述的显示元件， 其中，所述有效介电常数是复数有效介电常数，其满足
8.根据权利要求I至7中任一项所述的显示元件， 其中，所述光阀部分具有光导体，从所述发光元件发出的光进入该光导体，并且其中，所述光导体具有透射区，从所述发光元件发出的光通过该透射区进入所述等离子激元耦合部分。
9.根据权利要求8所述的显示元件， 其中，所述等离子激元耦合部分被与所述透射区相对地布置。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的显示元件， 其中，所述多个光学快门装置中的每个包括 快门部件，其在从所述发光元件发出的光所穿过的透射区的打开状态和关闭状态之间切换，和 驱动机构，其驱动所述快门部件。
11.根据权利要求I至9中任一项所述的显示元件， 其中，所述多个光学快门装置中的每个包括 所述等离子激元耦合部分，其被固定到所述基板，和 一对电极，其将所述等离子激元耦合部分移动到第一位置和第二位置，在所述第一位置处，从所述发光元件发出的光穿过所述基板，在所述第二位置处，从所述发光元件发出的光不穿过所述基板。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的显示元件， 其中，所述出射层由光子晶体制成。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的显示元件， 其中，所述等离子激元激发层包括红色像素、绿色像素和蓝色像素，所述红色像素由Au或者包含Au为主要成分的合金制成,所述绿色像素由Au、Ag或者包含Au或Ag为主要成分的合金制成，所述蓝色像素由Ag或者包含Ag为主要成分的合金制成。
14.一种显示设备，包括 根据权利要求I至13中任一项所述的显示元件；和 至少一个发光元件。
15.一种投影显示设备，包括 根据权利要求14所述的显示设备；和 投影光学系统，其利用从所述显示设备出射的光来投射投影图像。
全文摘要
本发明包括光阀部分(10)和等离子激元耦合部分(11)，光阀部分(10)具有基板(22)，从在从发光元件(25)发出的光的透射状态和遮挡状态之间切换的多个光学连接机构(23)出射的光透过基板(22)，等离子激元耦合部分(11)布置在光阀部分(10)中并使得利用从发光元件(25)出射的光而发生等离子激元耦合。等离子激元耦合部分(11)包括利用从发光元件(25)出射的光生成载流子的载流子生成层(15)，和等离子体频率高于利用从发光元件(25)发出的光所激发的载流子生成层(15)中生成的光的频率的等离子激元激发层(17)。波数矢量转换层(19)布置在基板(22)上。波数矢量转换层(19)将在等离子激元激发层(17)中生成的光或表面等离子激元转换为具有预定出射角的光。等离子激元激发层(17)夹在第一介电常数层(16)和第二介电常数层(18)之间。
文档编号G03B21/00GK102893199SQ20118002408
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月14日
发明者枣田昌尚, 今井雅雄, 富永慎 申请人:日本电气株式会社