显示元件、显示设备和投影显示设备的制作方法

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从发光元件发出的光进入其中的照明光学系统；具有诸如液晶显示面板或DMD (数字微镜设备)之类的显示元件的光阀，其中从照明光学系统出来的光进入液晶显示面板；以及投影光学系统，其将从光阀出来的光投影到投影平面。对具有固态光源的投影仪有这样的要求，即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。 另外，如非专利文献I所述，这种具有固态光源的投影仪受到取决于光源的面积和发射角的乘积的集光率的限制。换言之，从光源发出的光不能用作投影光，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该光学系统光圈值(Fnumber)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，以便降低前述的光损耗。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)。这个显示元件具有光源1204 ;光学腔1202，从光源1204发出的光1214进入光学腔1202中；对从光学腔1202出来的光1214进行调制的光学调制阵列1206 ;和覆盖光学调制阵列1206的盖板1207。光学腔1202具有光波导1208和以空气间隙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出射的光进入光透射区1222中；和MEMS快门机构，其包括能够打开及关闭光透射区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。在这个显示元件中，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 : JP2008-532069A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)从光阀发出的光不进入投影光学系统，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离开照明光学系统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°。换言之，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。换言之，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前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射的光透过该基板。该显示元件还具有等离子激元耦合部分，其布置在基板上，并且使得利用从光阀部分出射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，其利用从光阀部分出射的入射光生成载流子；等离子激元激发层，其层积在载流子生成层上方，并且具有比用从发光元件发出的光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；和出射层，其布置在等离子激元激发层上方，并且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，和用从该显示设备出射的光对投影图像进行投影的投影光学系统。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等离子激元耦合部分的平面图。图5是描述在根据第一实施例的显示元件中光的动作的剖视图。图6A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6B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6C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6D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6E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是示意性示出根据第三实施例的显示元件的剖视图。图9A是描述根据第三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9B是描述根据第三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9C是描述根据第三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9D是描述根据第三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9E是描述根据第三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9F是描述根据第三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9G是描述根据第三实施例的显示元件的等离子激元耦合部分的制造方法剖视图。图9H是描述根据第三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10是示意性地描述根据第四实施例的显示元件的剖视图。图11是示意性地描述根据第五实施例的显示元件的剖视图。图12是示出从根据第一实施例的显示元件发出的光的角度分布的示意图。图13是示出从根据第二实施例的显示元件发出的光的角度分布的示意图。图14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15是示意性示出根据本发明的另一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。
具体实施例方式下面，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其厚度差别很大，所以难以用精确比例图示各个层。因此，这些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,根据该实施例的显示元件I具有光阀部分10,包括多个快门机构14，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16，从快门机构14出射的光透过基板16。另外，显示元件I具有多个等离子激元耦合部分11，这些等离子激元耦合部分11使得从光阀部分10出射的光发生等离子激元耦合。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；多个快门机构14，它们与从光导体12出射的光的位置相对应地布置；和基板16，在基板16上二维地且有规则地布置多个等离子激元耦合部分11。如图2中所示，在光导体12的与多个等离子激元耦合部分11相反一侧的底面上布置了控制发光强度特性的结构部件24，诸如微棱镜或者散射部件。作为替代，光导体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)。在光导体12的与底面相反的顶面上布置了反射膜13。反射膜13具有多个开口13a，开口 13a是对应于多个等离子激元耦合部分11的光透射区，并且从光导体12出射的光通过开口 13a进入等离子激元耦合部分11。反射膜13例如由诸如银或铝之类的金属材料或者介电常数层压膜制成。 快门机构14布置在基板16的与光导体12相对的底面上。快门装置14各自具有能够打开和关闭反射膜13的开口 13a的MEMS快门14a和使MEMS快门14a打开/关闭开口 13a的TFT (薄膜晶体管)14b。MEMS快门14a或者MEMS快门14a的光导体12 一侧的面由反射率相对较高的反射材料制成。多个等离子激元耦合部分11以与光导体12上布置的反射膜13的开口 13a相对应的矩阵形状布置为像素。同样，多个快门机构14被布置成对应于由多个等离子激元耦合部分11组成的像素。图2示出了组成三个像素的等离子激元耦合部分11。图3示出了组成九个像素的等离子激元耦合部分11。等离子激元耦合部分11被布置成使得它们覆盖快门机构14。如图2所示，等离子激元耦合部分11各自具有载流子生成层17，其用从光导体12出射的部分光生成载流子；等离子激元激发层19，其层积在载流子生成层17上，并且其等离子体频率高于用从发光元件25发出的光所激发的载流子生成层17中生成的光的频率；和波数矢量转换层23，其作为出射层层积在等离子激元激发层19上，并且对从等离子激元激发层19出射的光的波数矢量进行转换并以发射具有预定出射角的光。另外，等离子激元耦合部分11各自具有夹在载流子生成层17和等离子激元激发层19之间的第一介电常数层18 ;和夹在等离子激元激发层19和波数矢量转换层23之间的第二介电常数层22。第二介电常数层22具有比第一介电常数层18更高的介电常数。根据本实施例，一个发光元件25布置在作为平板状光导体12的一个侧面的光入射面12a上。发光元件25可以例如由发射具有载流子生成层17能够吸收的波长的光的发光二极管(LED )、激光二极管或者超辐射二极管构成。另外，发光元件25是发射具有能够激发载流子生成层17的频率的光的元件。从发光元件25发出的光例如是紫外光或者具有短波长的蓝光。如果布置了多种类型的载流子生成层17，则可以使用发出能够激发载流子生成层17的不同频率的光的多种类型的发光兀件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到光导体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 一侧相反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的形状不限于长方体形状。作为替代，光导体12可以是以诸如楔形之类的另一形状形成的。反射膜13可以完全形成在除去光入射面12a和开口 13a的光导体12的外周面上，或者可以部分地形成在光导体12的外周面上。反射膜13例如可以是由诸如银或铝之类的金属材料或者介电常数层压膜制成的。根据本实施例，提供了光导体12。作为替代，光导体12可以从光阀部分10中省略掉。例如，诸如发光元件25之类的光源可以与快门机构14相反地布置在基板16上(在快门机构14的光入射侧)。载流子生成层17由如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)。在使用荧光物质时，载流子生成层17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。优选的是，载流子生成层17的厚度是Iym或更小。
当等离子激元耦合部分11对应于R (红)、G (绿)和B (蓝)像素时，对应于R、G和B像素的载流子生成层17可以由不同材料制成。当等离子激元耦合部分11对应于单色像素(例如R)时，对应于各个像素的载流子生成层17可以由相同材料制成。在这种情况下，多个等离子激元耦合部分11不需要对应于各个像素而分离，而是整体地形成在一起。等离子激元激发层19是由等离子体频率高于用发光元件25发出的光激发的载流子生成层17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。换言之，在用从发光元件25发出的光激发的载流子生成层17中生成的光的发光频率上，等离子激元激发层19的介电常数为负。等离子激元激发层19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，优选的是，等离子激元激发层19的材料是金、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。更优选的是，等离子激元激发层19的材料是金、银、铝，或者包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。优选的是，形成的等离子激元激发层19的厚度为200nm或更小。更优选的是，形成的等离子激元激发层19的厚度大约在IOnm到IOOnm的范围内。当多个等离子激元耦合部分11对应于R、G和B像素时，对应于这些像素的等离子激元激发层19可以由不同材料制成。在这一点上，优选的是，对应于R像素的等离子激元激发层19由金或者包含金作为主要成分的合金制成；对应于G像素的等离子激元激发层19由金、银或者包含金或银作为主要成分的合金制成；对应于B像素的等离子激元激发层19由银或者包含银作为主要成分的合金制成。如果有必要的话，等离子激元激发层19和载流子生成层17可以整体地形成在一起，从而连续地形成R、G和B像素。如果该多个等离子激元耦合部分11对应于单色像素，则对应于各个像素的等离子激元激发层19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19的载流子生成层17侧上层积的第一介电常数层18和基板16的整个结构的入射侧部分(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19的波数矢量转换层23侧上层积的第二介电常数层22和接触波数矢量转换层23的介质的整个结构的出射侧部分(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19的载流子生成层17侧上层积的整个结构包括第一介电常数层18、载流子生成层17和基板16。在等离子激元激发层19的波数矢量转换层23侧上层积的整个结构包括第二介电常数层22和波数矢量转换层23。换言之，根据第一实施例，就等离子激元激发层19而言的包括基板16、载流子生成层17和第一介电常数层18的入射侧部分的有效介电常数，高于就等离子激元激发层19而言的包括第二介电常数层22、波数矢量转换层23和与波数矢量转换层23相接触的介质的出射侧部分的有效介电常数。具体而言，等离子激元激发层19的入射侧部分(载流子生成层17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19的出射侧部分(波数矢量转换层23侦D的复数有效介电常数的实部。 现在，用ε J λ。)表示第一介电常数层18的复数介电常数，用￡&(入。)表示其实部，用εΗ(λ。)表示其虚部，用ε (λ。)表示第二介电常数层22的复数介电常数，用^hr(A0)表示其实部，并用εω( λ。)表示其虚部，从而满足I彡ε Γ(λο) < ehrU。)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18的实部ε lr ( λ ο)尽可能低。由于能够降低进入波数矢量转换层23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22的实部ε^(λ。)尽可能高。由于能够降低进入波数矢量转换层23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。假定用X和y轴表示与等离子激元激发层19的界面平行的方向；用z轴表示与等离子激元激发层19的界面垂直的方向；用ω表示从载流子生成层17出射的光的角频率；用ε (ω,χ, y, z)表示就等离子激元激发层19而言的入射侧部分和出射侧部分的电介质的介电常数分布；用kspp，z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。[公式I]
J, z)€xp{2jkspp^z)^ejr = -^.............................................................................. fff -.71-· · ·公式(I)
JJJexpW
D积分范围D是就等离子激元激发层19而言的入射侧部分或出射侧部分的三维坐标形式的范围。换言之，在积分范围D中X轴和y轴方向上的范围是不包括入射侧部分或出射侧部分所包括的结构的外周面上的介质的范围，而是包括与等离子激元激发层19的界面平行的面的外边缘的范围。另一方面，在积分范围D中z轴方向上的范围是入射侧部分或出射侧部分(包括介质)的范围。假定等离子激元激发层19和与其相邻的层之间的界面在z=0的位置处，积分范围D中z轴方向上的范围是从该界面到与等离子激元激发层19的前述相邻层侧上的无限远的范围，并且远离该界面的方向在公式(I)中称为(+)z方向。
另一方面，假定用εffletal表示等离子激元激发层19的介电常数的实部，用1 表示真空中光的波数，则表面等离子激元的波数的z成分kspp，z和表面等离子激元的波数的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)这样，通过将等离子激元激发层19的入射侧部分的介电常数分布ε η(ω,χ, y, z)和等离子激元激发层19的出射侧部分的介电常数分布ε_(ω，χ，γ，ζ)作为ε (ω,χ, y, z)代入到公式(I)、公式(2)和公式(3)中，得到就等离子激元激发层19而言的入射侧部分的复数有效介电常数￡#&和就等离子激元激发层19而言的出射侧部分的复数有效介电常数erff()Ut。实际上，通过给出适当的初始值作为复数有效介电常数eeff并且迭代地计算公式(I)、公式(2)和公式(3)，能够容易地得到复数有效介电常数eeff。假定表面等离子激元的有效交互距离是表面等离子激元的强度变为e_2的距离，则表面等离子激元的有效交互距离drff可以表示如下。[公式4]
Id^· =Ml -Z——...公式⑷
L _优选的是，包括光导体12的任何层(除了载流子生成层17和等离子激元激发层19)和与波数矢量转换层23接触的介质的复数介电常数的虚部尽可能小。当复数介电常数的虚部被设置为尽可能小时，等离子激元耦合能够容易地发生，并且能够实现光损耗的降低。等离子激元耦合部分11的周围介质，即与光导体12和波数矢量转换层23相接触的介质，可以是固体、液体或气体。另外，光导体12侧的周围介质可以与波数矢量转换层23侧的周围介质不同。优选的是，第一介电常数层18例如是SiO2纳米棒阵列膜或者Si02、A1F3、MgF2,Na3AlF6, NaF、LiF、CaF2, BaF2或低介电常数塑料的多孔膜或薄膜。优选的是，第二介电常数层22是高介电常数材料，诸如金刚石、TiO2, CeO2, Ta2O5,ZrO2、Sb2O3、HfO2、La2O3、NdO3、Y2O3、ZnO 或 Nb2O5。图4是示出等离子激元耦合部分11的波数矢量转换层23的平面图。波数矢量转换层23是出射层，在该出射层上，对进入波数矢量转换层23的光的波数矢量进行转换，从第二介电常数层22中提取光，然后将该光从显示元件I发出。换言之，波数矢量转换层23将从第二介电常数层22出射的光的出射角转换为预定的角度，使得显示元件I发出具有转换后的角度的光。即，波数矢量转换层23使显示元件I以与第二介电常数层22的界面几乎正交的方向发出光。波数矢量转换层23例如具有表面起伏栅格；以光子晶体为代表的周期性结构；准周期性结构；包含缺陷的这些结构之一；波长大于从显示元件I发出的光的波长的纹理结构；粗糙表面结构；全息图；或者微透镜阵列。准周期性结构表示准晶体结构，其是具有晶体所不允许的5个对称或10个对称的特殊相干结构。其中，优选的是，波数矢量转换层23是以光子晶体为代表的周期性结构、准周期性结构、包含缺陷的这些结构之一或者微透镜阵列。它们不仅能够提高光提取效率，而且能够控制方向性。当波数矢量转换层23是光子晶体时，优选的是，其具有图4中示出的三角形栅格晶体结构。可以用这样的方式形成波数矢量转换层23 :在平面基板上形成周期性凸形结构或周期性凹形结构。将描述在具有前述结构的显示元件I中，在从发光元件25发出的光进入光导体12之后一直到光从等离子激元耦合部分11的波数矢量转换层23出射期间执行的光的动作。图5是描述在显示元件I中光的动作的剖视图。如图5中所不,从发光兀件25发出的光穿过光导体12的光入射面12a,且全反射 地在光导体12中传播。当在光导体12中传播的光到达结构部件24时，结构部件24改变光的方向，然后该光进入反射膜13的开口 13a中。这时，如果快门机构14的TFT 14b处于ON (开启)状态，则MEMS快门14a将被移动到开口 13a被暴露出来的位置。这样，穿过开口13a的光通过基板16进入载流子生成层17。相反，如果TFT 14b处于OFF (关闭)状态，则MEMS快门14a遮挡光并将其反射到光导体12。穿过反射膜13的开口 13a的光进入等离子激元耦合部分11，然后从波数矢量转换层23出射。通过重复这个操作，大多数进入光导体12的光从所希望的构成像素的等离子激元耦合部分11出射。载流子生成层17用进入其中的光生成载流子。所生成的载流子与等离子激元激发层19中包含的自由电子进行等离子激元耦合。等离子激元耦合使光进入第二介电常数层22。波数矢量转换层23衍射该光，然后该光从显示元件I出射。从等离子激元激发层19和第二介电常数层22之间界面的一个点出射的光具有环形强度分布，其中光在传播时以同心圆形状展开。假定具有最高强度的出射角被称为中心出射角，而从中心出射角到最高强度的一半强度的出射角的角宽度被称为出射角宽度，从第二介电常数层22出射的光的中心出射角和出射角宽度取决于等离子激元激发层19的介电常数和夹住等离子激元激发层19的层的有效介电常数。假定用Λ表示波数矢量转换层23的周期性结构的节距，用ε effout表示等离子激元激发层19的出射侧部分(波数矢量转换层23侧)的复数有效介电常数，用ε 111表示周围介质的介电常数，并用λ。表示从波数矢量转换层23出射的光在真空中的波长，则从波数矢量转换层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是正或负整数。换言之，部分进入载流子生成层17的光以取决于等离子激元耦合部分11特性的方向从显示元件I出射。由于从显示元件I发出的光的发光强度分布仅取决于等离子激元耦合部分11的特性，所以显示元件I可以具有高方向性。换言之，从显示元件I发出的光的发光强度分布不取决于发光兀件25的发光强度分布。图6A到图6E示出显示元件I的等离子激元耦合部分11的制造过程。这些图中示出的制造过程只是示例，因此本发明不限于此。由于在其中形成等离子激元耦合部分11的光阀部分10是公知的透射型光阀，因此将省略对光阀部分10的制造过程的描述。首先，如图6A中所示，利用旋转涂覆技术在光阀部分10的基板16上涂覆抗蚀膜29。此后，如图6B中所示，利用例如电子束、光刻或印刻技术除去与光导体12上形成的反射膜13的开口 13a对应的部分抗蚀膜29。此后，如图6C所示，利用旋转涂覆技术在基板16上涂覆载流子生成层17。此后，在载流子生成层17上形成第一介电常数层18，并随后利用例如物理气相沉积、电子束气相沉积或溅射技术在第一介电常数层18上形成等离子激元激发层19。此后，在等离子激元激 发层19上形成第二介电常数层22。此后，在载流子生成层17上形成由光子晶体制成的波数矢量转换层23。此后，如图6D中所示，利用旋转涂覆技术在波数矢量转换层23上涂覆抗蚀膜32，并随后利用例如电子束、光刻或印刻技术将光子晶体的相反图案转移到与开口 13a对应的抗蚀膜32上。利用干法刻蚀技术将波数矢量转换层23干法刻蚀到所希望的深度。此后，如图6E所示，从基板16上剥离抗蚀膜29和在抗蚀膜29上形成的构成等离子激元耦合部分11的各个层。结果，在与开口 13a对应的基板16的预定位置处形成了等离子激元耦合部分11。如上所述，根据第一实施例的显示元件I中，从波数矢量转换层23出射的光的出射角取决于等离子激元激发层19的入射侧部分的有效介电常数及其出射侧部分的有效介电常数。这样，从显示元件I发出的光的方向性不受发光元件25的方向性限制。另外，利用发光过程中的等离子激元耦合，根据本实施例的显示元件I能够使所发出的光的发射角变窄，并因此提高所发出的光的方向性。换言之，根据本实施例，不管发光元件25的集光率如何，都能够降低从显示元件I发出的光的集光率。另外，由于从显示元件I发出的光的集光率不受发光元件25的集光率限制，因此如果提供多个发光元件25，则当从显示元件I发出的光的集光率保持为低时，能够合并发光元件25的入射光。下面，将描述根据其它实施例的显示元件。根据其它实施例的显示元件在等离子激元耦合部分或部分结构上不同于根据第一实施例的显示元件。因此，在根据其它实施例的显示元件中，用类似的标号表示那些与第一实施例类似的结构部分，并将省略其描述。(第二实施例)图7是示意性地示出根据本发明第二实施例的显示元件的剖视图。根据第二实施例的显示元件在等离子激元耦合部分的结构上不同于根据第一实施例的显示元件I。在根据前述第一实施例的显示元件I中，在等离子激元激发层19中激发的光从波数矢量转换层23出射。根据第二实施例的显示元件与根据第一实施例的显示元件的不同之处在于在等离子激元激发层中出现的表面等离子激元作为光从波数矢量转换层出射。等离子激元激发层的入射侧部分的有效介电常数被设置为高于等离子激元激发层的出射侧部分的有效介电常数。如图7中所示，根据第二实施例的显示元件2的等离子激元耦合部分21各自具有层积结构，其中载流子生成层32、等离子激元激发层19和波数矢量转换层33相继层积在光阀部分10的基板16上。可以在等离子激元激发层19和载流子生成层32之间布置第二介电常数层。或者，可以在等离子激元激发层19和波数矢量转换层33之间布置第一介电常数层。第二介电常数层的介电常数被设置为高于第一介电常数层的介电常数。第一介电常数层和第二介电常数层的厚度须小于从公式(4)获得的厚度。等离子激元激发层19夹在具有介电常数的两个层之间。根据第二实施例，这两个层对应于载流子生成层32和波数矢量转换层33。在根据该实施例的显示元件2中，就等离子激元激发层19而言的包括基板16和载流子生成层32的入射侧部分的有效介电常数高于就等离子激元激发层19而言的包括波数矢量转换层33和介质的出射侧部分的有效介电常数。
具体而言，等离子激元激发层19的入射侧部分(载流子生成层32侧)的复数有效介电常数的实部被设置为高于等离子激元激发层19的出射侧部分(波数矢量转换层33侧)的复数有效介电常数的实部。优选的是，包括光导体12 (不包括抗蚀膜32和等离子激元激发层19)的任何层和与波数矢量转换层33接触的介质的复数有效介电常数的虚部尽可能小。当复数介电常数的虚部被设置为尽可能小时，使等离子激元耦合易于发生，以便降低光损耗。将描述在具有前述结构的显示元件2中，在从发光元件25发出的光进入等离子激元耦合部分21之后一直到光从波数矢量转换层33出射期间执行的光的动作。像根据第一实施例的显不兀件I 一样，从发光兀件25发出的光穿过光阀部分10,然后进入所希望的构成像素的等离子激元耦合部分21。光通过光阀部分10进入载流子生成层32。载流子生成层32生成具有入射光的载流子。所生成的载流子与等离子激元激发层19中获得的自由电子进行等离子激元耦合。通过等离子激元耦合，在等离子激元激发层19与波数矢量转换层33之间的界面处激发表面等离子激元。波数矢量转换层33衍射所激发的表面等离子激元，然后光从显示元件2出射。如果在等离子激元激发层19与波数矢量转换层33之间的界面处的介电常数是一致的，即该界面是平面，则不能提取在该界面处激发的表面等离子激元。因此，根据本实施例，由于波数矢量转换层33使该界面处的介电常数变化，所以表面等离子激元作为光而被衍射并提取。从波数矢量转换层33的一个点出射的光具有随着光传播而同心展开的环形发光强度分布。假定具有最高强度的出射角被称为中心出射角，并用Λ表示波数矢量转换层33的周期性结构的节距，则从波数矢量转换层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是正整数或负整数。由于在等离子激元激发层19与波数矢量转换层33之间的界面处的波数只是从公式(3)大致获得的波数，因此从公式(6)获得的从波数矢量转换层33出射的光的角度分布同样变窄。
像第一实施例一样，在具有前述结构的根根据第二实施例的显示元件2中，进入第二介电常数层22的一部分光以取决于等离子激元耦合部分21的特性的方向从显示元件2出射。因此，由于从显示元件2发出的光的发光强度分布仅取决于等离子激元耦合部分21的特性，所以显示元件2可以具有高方向性。另外，由于根据第二实施例的显示元件2比根据第一实施例的显示元件I的层数少，所以能够减少制造过程的步骤数量。(第三实施例)图8是示意性示出了根据本发明第三实施例的显示元件的剖视图。根据第三实施例的显示元件在等离子激元耦合部分的结构方面不同于根据第一实施例的显示元件I。如图8所示，根据第三实施例的显示元件3的等离子激元耦合部分31具有层积结构，其中基底层28、载流子生成层37和等离子激元激发层39相继层积在光阀部分10的基板16上。根据第三实施例的等离子激元激发层39具有周期性结构39a，周期性结构39a具·有前述波数矢量转换层23和33的功能。周期性结构39a具有一维或二维栅格结构(崎岖结构)。同样，基底层28和载流子生成层37具有形状与等离子激元激发层39的周期性结构39a相同的周期性结构。当光进入载流子生成层37时，在等离子激元激发层39和与其接触的介质之间的界面及在载流子生成层37和等离子激元激发层39之间的界面出现表面等离子激元。这些表面等离子激元可以作为光以满足如下的公式(9)的方向从等离子激元激发层39中提取。具体而言，用ω表示从载流子生成层37出射的光在真空中的角频率，用c表示真空中的光速，用￡ ]_1表示等离子激元激发层39的介电常数，用esub表示载流子生成层37的介电常数，用ε medi表示与等离子激元激发层39接触的介质的介电常数，用Icspixnredi表示在等离子激元激发层39和与其接触的介质之间的界面处的表面等离子激元的波数，用kspp.sub表示载流子生成层37和等离子激元激发层39之间的界面处的表面等离子激元的波数，用Kx表示在等离子激元激发层39的周期性结构39a的x方向上的波数矢量，并用Ky表示在等离子激元激发层39的周期性结构39a的y方向上的波数矢量(其中xy平面是平行于基板16的平面)。[公式7]
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，其布置在所述基板上，并且使得利用从所述光阀部分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，其利用从所述光阀部分出射的入射光生成载流子； 等离子激元激发层，其层积在所述载流子发生层上方，并且具有的等离子体频率高于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；和 出射层，其层积在所述等离子激元激发层上方，并且将在所述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；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任一者或二者相邻。
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和与所述出射层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和与所述出射层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 [公式I]
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中，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 连接部分，其被固定到所述基板，和 一对电极，其将所述连接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7中任一项所述的显示元件， 其中，所述光阀部分具有包括所述基板的液晶面板，并且 其中，所述多个光学快门装置中的每个由构成所述液晶面板的液晶分子制成。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的显示元件，其中，所述出射层由光子晶体制成。
14.根据权利要求I至13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，红色像素由Au或者包含Au为主要成分的合金制成,绿色像素由Au、Ag或者包含Au或Ag为主要成分的合金制成，蓝色像素由Ag或者包含Ag为主要成分的合金制成。
15.—种显不设备,包括 根据权利要求I至14中任一项所述的显示元件；和 至少一个发光元件。
16.一种投影显示设备，包括 根据权利要求15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对投影图像进行投影。
全文摘要
本发明包括光阀部分(10)，其具有在从发光元件(25)发出的光的透射状态和遮挡状态之间切换的多个快门机构(14)和从多个快门机构出射的光通过其透射的基板(16)。显示元件还具有等离子激元耦合部分(11)，其使得用从光阀部分(10)出射的光发生等离子激元耦合。等离子激元耦合部分(11)包括用从光阀部分(10)出射的入射光生成载流子的载流子生成层(17)，具有比用从发光元件(25)发出的光激发的载流子生成层(17)中生成的光的频率更高的等离子体频率的等离子激元激发层(19)，和将等离子激元激发层(19)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的波数矢量转换层(23)。等离子激元激发层(19)夹在第一介电常数层(18)和第二介电常数层(22)之间。
文档编号B81B3/00GK102906621SQ20118002405
公开日2013年1月30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, 斋藤悟郎, 富永慎 申请人:日本电气株式会社