专利名称：发光元件、其制造方法及图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明，涉及发光元件、发光元件的制造方法及图像显示装置，特别，涉及发光二极管元件(以下，适当称为“LED”)等的固体发光元件的技术。
背景技术：
从前，作为发光元件，例如，采用在基板上叠层半导体层的构成的发光元件。来自发光部的光，透过基板之后，向发光元件的外部出射。单将基板叠层到发光部的发光元件，由于在基板和空气的界面、发光部和基板的界面等、折射率不同的层之间的界面中光进行全反射，使光返回到内部。并且，可知单将基板叠层到发光部的发光元件，以在水平方向上呈扁平的放射分布特性而供给发光光。例如，即使在如图像显示装置的光源部那样地，要求向照明对象的方向高效率地供给光的情况下，也难于用有关的发光元件向预定的照明方向高效率地供给光。为了使发光元件的外部出光效率提高，并且向预定的照明方向高效率地供给光，例如，采用以半球型透镜覆盖发光元件的技术。通过采用比发光元件大型的半球型透镜，可以降低发光元件和空气的界面上的全反射，但另一方面形成比发光元件大的面积的虚像。例如，在使发光元件和透镜系统组合而供给光的构成中，随着发光元件的虚像面积的变大，存在由透镜系统取入的光减少的情况。作为为了不增大虚像面积而使外部出光效率提高，并且向预定的照明方向高效率地供给光的技术，例如，在专利文献1中已被提出。
专利文献1特开2004-128445号公报
发明内容
在专利文献1中，公开了将波长量级的微小的光学元件设置在发光元件的表面上的技术。有关的微小的光学元件，可以采用通过激光的改性加工而形成。但是，因为需要将激光照射到微小的区域，所以存在制造困难而制造成本高涨、因对各发光元件实施加工而导致的成品率降低等问题。本发明，鉴于上述的问题而作出，目的在于提供可以用高的外部出光效率，向预定的照明方向高效率地供给光，可以容易且廉价地制造的发光元件、该发光元件的制造方法及采用该发光元件的图像显示装置。
为了解决上述的问题，达到目的，依照本发明，能够提供发光元件，其特征在于，具有设置于基准面上而供给光的发光部，和设置于发光部的出射侧而使来自发光部的光透射的光学部；光学部，形成为折射率在大致平行于基准面的二维方向上周期性地变化，并且具有对于发光部可以分别形成的构成。
由于设置折射率在二维方向上周期性地变化的光学部，能够防止来自发光部的光返回到发光部的内部，以高的外部出光效率供给光。由于光学部以与发光部大致相同的大小而形成，可以不使虚像面积增加而使外部出光效率提高。光学部，按照其结构，也可以进行角度变换而使对于光轴大角度的光，对于光轴以小角度行进。而且，由于使光学部成为对于发光部可以分别形成的构成，相比较于通过对各发光元件实施直接加工而形成光学部的情况，可以使成品率提高。相比较于通过对各发光元件实施加工而形成光学部的情况，因为能够减少涉及光学部的形成的限制，所以对于现有加工困难的光学部，变得也可以使用简单的技术而廉价且大量地制造。并且，能够将光学部应用到被认为难于实施现有加工的发光元件中。由此，得到可以向预定的照明方向以高的外部出光效率高效率地供给光，可以容易且廉价地制造的发光元件。
并且，依照本发明的优选方式，优选光学部，具备在大致垂直于基准面的方向上具有高度的多个凸部，或在大致垂直于基准面的方向上具有深度的多个凹部。光学部，由于设置多个凸部、或多个凹部，在二维方向上，具有构成光学部的构件和空气的互相不同的折射率的介质。由此，能够成为折射率在大致平行于基准面的二维方向上变化的构成。
并且，依照本发明的优选方式，优选光学部，形成为膜状。通过将光学部形成为膜状，光学部，对于发光部分别形成之后，能够叠层到发光部上。膜状的光学部，例如，能够通过对膜构件实施压力加工而容易地形成。并且，膜构件也容易切分开。因此，通过将以一次模复制而模形成的膜构件进行切分，能够容易地制造大量的光学部。而且，通过采用具有热塑性、热固性、光固性的任何一种性质的膜构件，实施压力加工之后的膜构件的固化也能够容易地进行。由此，能够容易且廉价地进行发光元件的制造。由于采用形成为膜状的光学部，不仅在具有大致平坦的出射面的发光元件中，而且在例如具有曲面的发光元件那样地，被认为难于实施现有加工的发光元件中也能够应用光学部。这样一来，由于采用膜状的光学部，可以大幅度地提高用于在发光元件中应用光学部的便利性、及广泛性。
并且，依照本发明的优选方式，优选光学部，具有硅树脂构件。由于采用硅树脂构件，通过对硅树脂构件进行模压制之后进行热固化，能够容易地形成光学部。并且，光学部，由于采用硅树脂构件，能够为耐热性、耐光性、耐湿性等耐环境性高的构成。由此，可得到能够容易形成，且耐环境性高的发光元件。
并且，依照本发明的优选方式，优选具有具备流动性构件的缓冲层；缓冲层，设置在发光部和光学部之间。缓冲层，对发光部及光学部之间的尺寸的变化进行缓冲。由于在发光部和光学部之间设置缓冲层，能够为降低发光部和光学部之间的变形，且难于破损的构成。特别地，能够在高输出的发光元件中降低结构上的恶化。由此，得到难于破损可以长期使用的发光元件。
并且，依照本发明的优选方式，优选光学部，具备具有大致圆柱形状的凸部。光学部，由于设置多个凸部，在二维方向上，具有构成光学构件的构件和空气的、互相不同的折射率的介质。由此，能够为折射率在大致平行于基准面的二维方向上变化的构成。
并且，依照本发明的优选方式，优选凸部，由一个凸部及相邻于一个凸部的其他2个凸部，配置于在大致平行于基准面的面中呈三角形的位置。光学部，通过配置凸部使其呈三角形，可以稠密地配置凸部。由此，能够使向大致平行于光轴的方向行进的光增加，且得到良好的放射特性。
并且，依照本发明的优选方式，优选凸部中，凸部所具备的圆柱形状的高度，除以圆柱形状的直径之比，为2～3。由此，能够使向大致平行于光轴的方向行进的光增加，且得到良好的放射特性。
并且，依照本发明的优选方式，优选凸部中，圆柱形状的高度除以圆柱形状的直径之比大致为2.5。由此，能够使向大致平行于光轴的方向行进的光进一步增加，得到更加良好的放射特性。
并且，依照本发明的优选方式，优选光学部的构成为，凸部所具备的圆柱形状的直径，除以使多个凸部并列的间距之比，为0.65～0.85。由此，能够使向大致平行于光轴的方向行进的光增加，且得到良好的放射特性。
并且，依照本发明的优选方式，优选光学部的构成为，使多个凸部并列的间距，为500纳米～2000纳米。由此，能够使向大致平行于光轴的方向行进的光增加，且得到良好的放射特性。
而且，依照本发明，能够提供发光元件的制造方法，其为从发光部供给光的发光元件的制造方法，其特征在于，包括光学部形成工序，其形成折射率在二维方向上周期性地变化的光学部；和光学部叠层工序，其将光学部叠层到设置于大致平行于二维方向的基准面上的发光部之上。通过采用折射率在大致平行于基准面的二维方向上周期性地变化的光学部，能够制造以高的外部出光效率，向预定的照明方向可以高效率地供给光的发光元件。而且，由于在光学部形成工序中，对于发光部分别形成光学部，相比较于通过对各发光元件实施直接加工而形成光学部的情况，可以使成品率提高。相比较于通过对各发光元件实施加工而形成光学部的情况，因为能够减少涉及光学部的形成的限制，所以即使对于现有加工困难的光学部，变得也可以使用简单的技术而廉价且大量地制造光学部。由此，能够容易且廉价地制造可以用高的外部出光效率，向预定的照明方向高效率地供给光的发光元件。
而且，依照本发明，能够提供图像显示装置，其特征在于具有具备供给光的发光元件的光源部，和相应于图像信号对来自光源部的光进行调制的空间光调制装置；发光元件，是上述的发光元件。由于在光源部中采用上述的发光元件，能够容易且廉价地制造光源部，并以高效率向空间光调制装置供给光。由此可得到能够容易且廉价地制造，并可以用高效率显示明亮图像的图像显示装置。
图1-1是表示本发明的实施例1的LED的要部立体构成的图。
图1-2是对现有的LED的放射分布特性进行说明的图。
图2是对因设置光学部而引起的LED的放射分布特性的变化进行说明的图。
图3是对因设置光学部而引起的LED的放射分布特性的变化进行说明的图。
图4是对XY平面中的放射分布特性的变化进行说明的图。
图5是对XY平面中的放射分布特性的变化进行说明的图。
图6是对LED的制造顺序进行说明的图。
图7是对LED的制造顺序进行说明的图。
图8-1是对实施例1的变形例的LED的制造顺序进行说明的图。
图8-2是对采用可以支持光学部及发光部的基板的构成进行说明的图。
图9是对使具有曲面的发光部和光学部组合的例进行说明的图。
图10是对使具有曲面的发光部和光学部组合的例进行说明的图。
图11是表示实施例1的变形例的光学部的要部立体构成的图。
图12是表示本发明的实施例2的光学部的要部立体构成的图。
图13是表示XY平面上的凸部的配置的图。
图14是表示LED的放射分布特性的图。
图15是对LED的特性，和凸部的高宽比的关系进行说明的图。
图16是表示本发明的实施例3的投影机的概略构成的图。
符号说明100 LED，101 光学部，102 凸部，103 薄膜，104 发光部，105p型半导体，106 有源层，107 n型半导体层，108 粘接层、SS 基准面，601 基板，602 抗蚀剂层，603 金属层，605 硅树脂层，706 粘接剂，800 LED，801 支持部，806 流动性材料，808 缓冲层，820 LED，821 基板，901 光学部，904 发光部，1000 荧光发光元件，1101 光学部，1102、1103 光学元件，1201 光学部，1202、1202a、1202b、1202c凸部，1600 投影机，100R、100G、100B 光源部，110R、110G、110B 空间光调制装置，112 十字分色棱镜，112a、112b 分色膜，115R、115G、115B 液晶面板，116R、116G、116B 第1偏振板，117R、117G、1107第2偏振板，130 投影透镜，140 屏幕具体实施方式
以下参照附图，详细地说明本发明的实施例。
实施例1图1-1，表示本发明的实施例1的为发光元件的LED100的要部立体构成。LED100，具有发光部104和光学部101。LED100，是主要从发光部104的表面发出光的面发光光源。发光部104，设置于基准面SS上，供给光。基准面SS，是正交于为光轴的Z轴的平面，是XY平面。
发光部104，构成具备p型半导体层105、有源层106、n型半导体层107的双异质(double hetero)结构。能够例如采用氮化镓类化合物半导体而形成P型半导体层105、有源层106、n型半导体层107。LED101，形成为，在与出射侧相反侧配置未图示的电极而安装发光部104，形成所谓的倒装芯片(flip chip)结构。还有，发光部104，并不限于具有p型半导体层105、有源层106、n型半导体层107的构成。发光部104，也可以为采用同质(homo)接合结构等众所周知的其他结构。并且，在p型半导体层105、有源层106、n型半导体层107之中，也可以采用氮化镓类化合物半导体之外的其他半导体。
在发光部104的出射侧，通过粘接层108而设置光学部101。光学部101，使来自发光部104的光透射。光学部101，具有在薄膜103上设置多个凸部102的构成。凸部102及薄膜103，例如，由透明的硅树脂构件而构成。作为硅树脂构件，例如，能够使用具有在硅氧烷键(-Si-O-)的侧链上结合了烷基等的分子结构的聚合物。光学部101，能够通过成为膜状，在对于发光部104分别形成之后，叠层到发光部104上。粘接层108，为透明粘接剂等经固化而形成的透明层，粘接发光部104和光学部101。
凸部102，形成在为大致垂直于基准面SS的方向的Z轴方向上具有高度的圆柱形状。并且，凸部102，由一个凸部及相邻于一个凸部的其他2个凸部，配置于在为大致平行于基准面SS的面的XY平面中呈等边三角形的位置。若着眼于1个凸部102，则在1个凸部102的周围形成6个凸部102。通过如此地配置多个凸部102使其成为三角点阵，可以稠密地配置凸部102。并且，凸部102，以来自发光部104的光的波长大小的预定间距，呈周期结构地排列。光学部101，由于设置多个凸部102，成为在XY方向上，具有硅树脂构件和空气的、折射率不同的2种介质的构成。这样一来，光学部101，具有折射率在大致平行于基准面SS的二维方向上周期性地变化的构成。还有，多个凸部102，并不限于成为三角点阵地排列的构成，只要是以预定的间距呈周期结构地排列的构成即可。
图1-2，表示具有在发光部上叠层透明基板的构成的现有的LED的放射分布特性的例。在圆曲线中，表示粗线越离开圆的中心，则在其角度方向上行进的光越多。可知单将透明基板叠层到发光部的LED，以在水平方向上为扁平的放射分布特性而供给发光光。例如，即使在像图像显示装置的光源部那样地，要求向照明对象的方向高效率地供给光的情况下，也难于用这种LED向预定的照明方向高效率地供给光。
相对于此，由于设置折射率在二维方向上周期性地变化的光学部101，能够防止来自发光部104的光返回到发光部104的内部，能够以高的外部出光效率供给光。由于光学部101以与发光部104大致相同的大小而形成，可以不使虚像面积增加而使外部出光效率提高。光学部101，按照其结构，也可以进行角度变换而使对于光轴大角度的光，对于光轴以小角度行进。从而，光学部101，能够以高的外部出光效率，向预定的照明方向高效地供给光。
图2及图3，对因设置光学部101而引起的LED的放射分布特性的变化进行说明。图2表示未设置光学部101的情况下的放射分布，图3表示设置光学部101的本发明的LED100的放射分布。图2及图3全都，对XZ平面中的光的强度分布，从强度大的开始顺序以涂黑部分、剖面线部分、色调部分、空白部分而表示。在图2以发光部104的出射面作为基准面S，在图3以设置凸部102的薄膜103的出射侧的面作为基准面S，表示来自LED的光的强度分布。区域P，为发光部104中的供给强光的部分，为发光部104中的XY方向的大致中心位置。若比较一下图2和图3，则可知由于设置光学部101，放射分布特性进行变化使得从区域P向+Z方向行进的光的强度变大。
图4及图5，是对XY平面中的放射分布特性的变化进行说明的图。图4，为在距基准面S离开1微米的出射侧的XY平面所看的，用图2进行了说明的放射分布。图5，为在距基准面S离开1.5微米的出射侧的XY平面所看的，用图3进行了说明的放射分布。在图5中所示的XY平面中配置着多个凸部102。若比较一下图4和图5，则能确认由于设置光学部101，可以使光的强度集中到非常狭窄的角度范围。
设置于光学部101的凸部102，并不限于图1-1中所示的形状，也可以进行变形。例如，在设置向Z轴方向的高度高的凸部102的情况、和向Z轴方向的高度低的凸部102的情况下，设置高的凸部102的一方，可以将向倾斜方向行进的光更多地向Z轴方向进行角度变换。因此，也可以设置向Z轴方向的高度比图示高的凸部102。并且，凸部102并不限于圆柱形状，也可以为棱柱形状。
进而，光学部101，并不限于设置凸部102的构成，也可以具备在是大致垂直于基准面SS(参照图1-1)的方向的Z轴方向上具有深度的多个凹部。设置于光学部101的凹部，通过复制凸部102的形状而能形成。光学部101，即使在设置凹部代替凸部102的情况下，也具有折射率在大致平行于基准面SS的二维方向上周期性地变化的构成。即使在设置凹部的情况下，也能够以高的外部出光效率，向预定的照明方向高效地供给光。关于光学部101的其他变形例，后述。
图6及图7，对LED101的制造顺序进行说明。在图6中所示的工序a～工序e，是对于发光部104分别形成光学部101的光学部形成工序。LED101的光学部101，能够采用将使用金属模的压力加工应用于纳米量级的所谓纳米压印法而成型。纳米压印法，是将有微细的凹凸的模按压到树脂膜等的被加工材料中而成型的加工技术，可以形成几十纳米宽度的图形。因为通过压力而形成图形，所以相比较于采用电子束的纳米量级的加工技术，有能够容易且廉价地成型的优点。
作为形成光学部101的顺序，首先，在工序a～工序c中制作模具。模具，例如，能够通过电铸加工而形成。在工序a中，在由玻璃构件等所构成的基板601上，形成预期的形状的抗蚀剂层602。在工序b中，在基板601及抗蚀剂层602之上，形成金属层603。金属层603，能够例如由镍、铜等金属构件而形成。然后，在工序c中，通过从金属层603剥离基板601及抗蚀剂层602，而得到复制有预期的形状的模具。还有，模具，并不限于电铸加工，也可以为通过其他的加工法，例如，湿蚀刻或干蚀刻，激光加工而制作。
其次，在工序d及工序e中，利用是模具的金属层603，而向膜状的硅树脂层605进行模复制。在工序d中利用金属层603而对硅树脂层605实施压力加工之后，在工序e中进行金属层603的剥离，及硅树脂层605的热固化。这样一来，就得到在硅树脂构件上形成了预期的形状的膜状的光学部101。光学部101，除了以LED100的大小而形成之外，也可以在以比LED100大的尺寸形成后再切分成LED100的尺寸。膜状的硅树脂构件，能够容易地进行切分。这样一来，也能够经过一次的模复制而制造大量的光学部101。
在图7中所示的工序f～工序h，是在发光部104之上叠层光学部101的光学部叠层工序。将在工序f所示那样地在二维方向上形成了凸部102的光学部101，在工序g中，通过粘接剂706粘接到发光部104之上。粘接剂706，例如，为液态、或凝胶状的透明粘接剂，通过固化而变成透明的粘接层108。通过以上所述，能够制造在工序h中所示的LED100。还有，光学部101和发光部104的贴合，也可以不用粘接剂706，而通过在以热使光学部101的一部分软化的状态下粘贴到发光部104而进行。
还有，在光学部形成工序中，进而，也可以制作用于通过模复制而形成用于压力加工的模具的模具。为了制作用于形成用于压力加工的模具的模具，在工序a中，通过基板601和抗蚀剂层602，而形成与在图6的工序c中所示的金属层603相同的形状。由此，能够制作呈具有与在图6的工序c中所示的金属层603相反的凹凸的形状的模具。通过制作用于形成用于压力加工的模具的模具，即使在用于压力加工的模具劣化的情况下，也能够通过模复制而容易地重新制作用于压力加工的模具。
在光学部形成工序中，由于对于发光部104而分别形成光学部101，相比较于通过对各LED实施加工而形成光学部101的情况，可以使成品率提高。相比较于通过对各LED实施加工而形成光学部101的情况，因为能够减少涉及光学部101的形成的限制，所以对于现有加工困难的光学部101，也可以用简单的技术而廉价且大量地制造。并且，膜状的光学部101，能够通过对膜构件实施压力加工而容易地形成。由此，起到能够容易且廉价地制造可以以高的外部出光效率，向预定的照明方向高效地供给光的发光元件的效果。本发明的LED100，例如，在作为投影机的光源而使用的情况下是有用的。
光学部101，由于采用为热固性树脂的硅树脂构件而形成，能够容易地进行模压后的硅树脂构件的固化。并且，光学部101，由于采用硅树脂构件而形成，能够为耐热性、耐光性、耐湿性等的耐环境性高的构成。由此，可以容易地形成LED101，并且成为耐环境性高的构成。还有，光学部101，并不限于具有硅树脂构件的构成，也可以为具有其他透明构件的构成。而且，光学部101，并不限于用热固性的构件而形成的情况，例如，也可以为用热塑性的构件或光固化性的构件而形成。即使在用热塑性的构件或光固化性的构件而形成的情况下，也能够容易地进行模压后的固化。
图8-1，对是本实施例的变形例的发光元件的LED800的制造顺序进行说明。本变形例的LED800，特征在于具有缓冲层808。在图8-1中所示的工序i～工序k，是在发光部104之上叠层光学部101的光学部叠层工序。在工序i，表示在二维方向上形成有凸部102的光学部101。与上述同样地在分别形成光学部101后，在工序j，将光学部101，通过流动性材料806而载置于发光部104之上。流动性材料806，为液态、或凝胶状的透明构件，为光学油类等。然后，在工序k中，对发光部104及光学部101，通过设置于发光部104及光学部101的周围的支持部801而进行支持。
光学部101和发光部104不必进行精密的位置对准，支持部801，以防止光学部101和发光部104的大的位置偏移为目的而设置。流动性材料806，由于被发光部104、光学部101及支持部801所包围，而成为具备流动性构件的缓冲层808。通过以上所述，能够制造可以以高的外部出光效率，向预定的照明方向高效地供给光的LED800。
设置于发光部104和光学部101之间的缓冲层808，对发光部104和光学部101之间的尺寸的变化进行缓冲。由于在发光部104和光学部101之间设置缓冲层808，能够降低发光部104和光学部101之间的变形，形成为难于破损的构成。特别地，通过设置缓冲层808，即使在LED800为高输出的情况下，也能够降低LED800的结构上的劣化。由此，得到难于破损而可以长期使用的LED800。
作为防止光学部101和发光部104的位置偏移的构成，并不限于采用支持部801的情况，例如，也可以像在图8-2中所示的LED820那样地，为采用可以支持光学部101及发光部104的基板821的构成。光学部101及发光部104，通过嵌入到设置于基板821的槽部而固定。具有相关的槽部的基板821，例如，能够通过对平行平板实施蚀刻而形成。
还有，缓冲层808，也可以通过具有与构成光学部101的透明构件相同程度的折射率的构件而构成。在通过例如，折射率约为1.5的透明树脂，例如，丙烯酸树脂或环烯烃共聚物而构成光学部101的情况下，作为缓冲层808，能够采用折射率约为1.5的乳化油。由此，能够降低缓冲层808和光学部101的界面上的光的损失。此外，缓冲层808，也可以由具有为构成光学部101的透明构件的折射率、和用于发光部104的未图示的透明基板的折射率之间的折射率的构件而构成。例如，在由折射率约为1.5的透明树脂构成光学部101，并采用折射率约为1.7的蓝宝石构件作为发光部104的透明基板的情况下，作为缓冲层808，能够采用折射率为1.5～1.7的液浸曝光用液体。由此，能够降低发光部104和缓冲层808的界面，及缓冲层808和光学部101的界面上的光的损失。
本实施例的光学部，并不限定于像上述的LED100、800、820的发光部104那样地，具有大致平坦的出射面的发光部，也能够与具有在图9中所示那样的曲面状的出射面的发光部904组合使用。发光部904，例如，为具有圆柱形状，并从圆柱的曲面供给光的荧光灯。通过将膜状的光学部901卷绕在发光部904上，能够形成在图10中所示的荧光发光元件1000。光学部901，设置于发光部904的出射侧，使来自发光部904的光进行透射。光学部901的构成和作用，与设置于上述的LED100的光学部101相同。由此，对于荧光发光元件1000，也能够与上述的LED100同样地，以高的外部出光效率而供给光。
由于采用形成为膜状的光学部901，故对于像具有曲面的发光元件那样地，被认为难于实施现有加工的发光元件也能够应用光学部901。这样一来，由于采用膜状的光学部901，可以大幅度提高将光学部901应用于发光元件的便利性及广泛性。由此，能够容易且廉价地进行发光元件的制造。光学部901，不仅在具有圆柱形状的发光部904的发光元件中，在具有曲面的其他发光元件、和复杂的形状的发光元件中也能够应用。
图11，表示本实施例的变形例的光学部1101的要部立体构成。本变形例的光学部1101，能够应用于上述的LED100、800、820中。光学部1101，特征在于具有在入射面和出射面上设置光学元件1102、1103的三维结构。设置于光学部1101的入射面的光学元件1103，在Y轴方向上具有长度方向，且沿X轴方向并列而设置。设置于光学部1101的出射面的光学元件1102，在X轴方向上具有长度方向，并沿Y轴方向并列而设置。光学部1101，与上述的光学部101同样地，也能够以高的外部出光效率，向预定的照明方向高效地供给光。
三维结构的光学部1101，在对LED直接实施加工的情况下制造极其困难。相对于此，在对于发光部而分别形成光学部1101的情况下，光学部1101，例如，可以通过在薄膜状材料的表面和背面实施压力加工而容易地形成。这样一来，根据本发明，能够减少涉及光学部1101的形成中的限制，能够用简单的技术而廉价且大量地制造现有加工困难的光学部1101。
实施例2图12，表示设置于为本发明的实施例2的发光元件的LED的光学部1201的要部立体构成。在本实施例中，对用于得到良好的放射特性的光学部1201的构成进行说明。光学部1201的各凸部1202，形成为使得圆柱形状的高度h为1380nm、圆柱形状的直径d为550nm。若将用直径d除圆柱形状的高度h之比称为高宽比，则相关的凸部1202的高宽比，大致为2.5。
图13，表示XY平面上的凸部1202的配置。光学部1201，以间距p为700nm的方式配置各凸部1202。光学部1201，用间距p除凸部1202所具备的圆柱形状的直径d之比大致为0.79。并且，凸部1202，由一个凸部1202a及相邻于一个凸部1202a的其他2个凸部1202b、1202c，配置于在大致平行于基准面SS的XY面中呈等边三角形的位置。如果着眼于1个凸部1202b，则在1个凸部1202b的周围形成6个凸部1202。这样一来，通过在XY面上呈三角点阵地配置凸部1202，光学部1201，可以稠密地配置凸部1202。
图14，表示现有的LED的放射分布特性C0，及，采用本实施例的光学部1201的LED的放射分布特性C1等。放射分布特性C0，是由将透明基板叠层到发光部104的构成的LED所得到的，是在图1-2中所示的放射分布特性。如果对2个放射分布特性C0、C1进行比较，则可知本实施例的LED一方，比现有的LED使更多的光向光轴方向行进。本实施例的LED，在光轴方向的亮度，与现有的LED相比较增加到约3.5倍。
并且，与现有相比，在本实施例中，相对于LED整体的光出光效率约为1.0倍，在以光轴方向作为基准的±30度的角度范围内的光的绝对光量，可以增加到约2.1倍。进而，对于LED的全部光量，在以光轴方向作为基准的±30度的角度范围可以出射的光量的比例，相对于现有的构成为22％，通过本实施例能够增加到47％。这样一来，根据本实施例的构成，能够使向大致平行于光轴的方向行进的光增加，并得到良好的放射特性。
例如，在包括光源部和空间光调制装置的投影机的光学系统中，能够将存在光束的空间的扩展，表示为发光面积与放射角之积(光学扩展量(etendue)，几何广度(Geometrical Extent))。空间光调制装置，在可以有效地调制的光的光线角度方面存在限制(例如对于光轴±16度以内)。为了在空间光调制装置中使来自光源部的光可以高效利用，必须使光源部的光学扩展量，比空间光调制装置的光学扩展量小。根据本实施例，由于使向大致平行于光轴的方向行进的光增加，并得到良好的放射特性，故可以降低光学扩展量。因此，本实施例的发光元件，适于通过投影机高效地显示明亮的图像。
还有，构成光学部1201的凸部1202的高度h、直径d、间距p的各值，并不限于上述。例如，能够适当设定凸部1202的高度h及直径d，使得凸部1202的高宽比大致为2.5。并且，凸部1202的高宽比，并不限于大致为2.5的构成，只要是2～3即可。用间距p除凸部1202的直径d之比，并不限于大致为0.79的构成，只要是0.65～0.85即可。间距p，可以为500nm～2000nm的任意值。
在此，对2个变形例进行说明。变形例1，为将圆柱形状的高度h为2530nm、圆柱形状的直径d为1010nm的凸部1202，以1300nm的间距p进行配置的构成。该凸部1202的高宽比，约为2.5。并且，用间距p除直径d之比，大致为0.78。如在图14中所示地，若将变形例1的情况下的放射分布特性C2与现有的放射分布特性C0进行比较，则在光轴方向上的亮度增加到约5倍。并且，与现有相比，在本变形例中，相对于LED整体的光出光效率约为0.9倍，在以光轴方向作为基准的±30度的角度范围内的光的绝对光量，可以增加到约1.6倍。进而，对于LED的全部光量，在以光轴方向作为基准的±30度的角度范围可以出射的光量的比例，通过本变形例能够增加到36％。
变形例2，为将圆柱形状的高度h为1110nm、圆柱形状的直径d为550nm的凸部1202，以700nm的间距p进行配置的构成。该凸部1202的高宽比，约为2.0。并且，用间距p除直径d之比，大致为0.79。如在图14中所示地，若将变形例2的情况下的放射分布特性C3与现有的放射分布特性C0进行比较，则在光轴方向上的亮度增加到约3倍。并且，与现有相比，在本变形例中，相对于LED整体的光出光效率约为1.1倍，在以光轴方向作为基准的±30度的角度范围内的光的绝对光量，可以增加到约2.1倍。进而，对于LED的全部光量，在以光轴方向作为基准的±30度的角度范围可以出射的光量的比例，通过本变形例能够增加到43％。
图15，表示LED的全部光量、±30度的角度范围内的绝对光量、在±30度的角度范围的出射比例，与凸部1202的高宽比的关系。LED的全部光量、±30度的角度范围内的绝对光量，全都由以将透明基板叠层到发光部104上的现有的LED为基准的倍率而表示。有关的倍率，以曲线图左侧的刻度表示。在±30度的角度范围的出射比例，以对于LED的全部光量的±30度的可以出射的光量的比例而表示。有关的倍率，以曲线图右侧的刻度表示。在此，设将凸部1202的直径d固定为700nm，并使高度h变化。并且，多个凸部1202，以间距p为900nm而进行配置。
从在图15中所示的曲线图可知在凸部1202的高宽比为2～3的情况下，尤其，在为2.5的情况下，±30度的角度范围内的光的绝对光量，及，±30度的角度范围的可以出射的光量的比例变高。因此，通过采用使以直径d除高度h的高宽比为2～3，尤其，大致为2.5的凸部1202形成的光学部1201，可以使向大致平行于光轴的方向行进的光增加，并得到良好的放射特性。
在本实施例中，构成光学部1201的凸部1202的高度h、直径d、间距p的最佳值，设光为具有525nm的波长的G光而计算。即使对于G光之外的R光、B光，通过采用在本实施例中已进行说明的范围的数值而构成凸部1202，也可以使向大致平行于光轴的方向行进的光增加，并得到良好的放射特性。
实施例3图16，表示为本发明的实施例3的图像显示装置的投影机1600的概略构成。投影机1600，具备供给R光的光源部100R，供给G光的光源部100G，和供给B光的光源部100B。光源部100R、100G、100B，具有与上述实施例1的LED100同样的构成。来自光源部100R的R光，透射透镜LN，入射到空间光调制装置110R。空间光调制装置110R，为相应于图像信号而对R光进行调制的透射型的液晶显示装置。空间光调制装置110R，具有液晶面板115R，第1偏振板116R，和第2偏振板117R。
第1偏振板116R，透射R光中的p偏振光，并使之入射到液晶面板115R。也可以在光源部100R和第1偏振板116R之间，设置将p偏振光之外的振动方向的偏振光，例如将s偏振光变换成p偏振光的偏振变换元件。液晶面板115R，相应于图像信号而对p偏振光进行调制，将其变换成s偏振光。第2偏振板117R，出射被液晶面板115R变换成s偏振光的R光。这样一来，空间光调制装置110R，相应于图像信号而对来自光源部100R的R光进行调制。被空间光调制装置110R变换成s偏振光的R光，入射到十字分色镜棱112。
来自光源部100G的G光，透射透镜LN，入射到空间光调制装置110G。空间光调制装置110G，为相应于图像信号而对G光进行调制的透射型的液晶显示装置。空间光调制装置110G，具有液晶面板115G，第1偏振板116G，和第2偏振板117G。第1偏振板116G，透射G光中的s偏振光，并使之入射到液晶面板115G。也可以在光源部100G和第1偏振板116G之间，设置将s偏振光之外的振动方向的偏振光，例如将p偏振光变换成s偏振光的偏振变换元件。液晶面板115G，相应于图像信号而对s偏振光进行调制，将其变换成p偏振光。第2偏振板117G，出射被液晶面板115G变换成p偏振光的G光。这样一来，空间光调制装置110G，相应于图像信号而对来自光源部100G的G光进行调制。被空间光调制装置110G变换成p偏振光的G光，从与R光不同的面入射到十字分色棱镜112。
来自光源部100B的B光，透射透镜LN，入射到空间光调制装置110B。空间光调制装置110B，为相应于图像信号而对B光进行调制的透射型的液晶显示装置。空间光调制装置110B，具有液晶面板115B，第1偏振板116B，和第2偏振板117B。第1偏振板116B，透射B光中的p偏振光，并使之入射到液晶面板115B。也可以在光源部100B和第1偏振板116B之间，设置将p偏振光之外的振动方向的偏振光，例如将s偏振光变换成p偏振光的偏振变换元件。液晶面板115B，相应于图像信号而对p偏振光进行调制，将其变换成s偏振光。第2偏振板117B，出射被液晶面板115B变换成s偏振光的B光。这样一来，空间光调制装置110B，相应于图像信号而对来自光源部100B的B光进行调制。被空间光调制装置110B变换成s偏振光的B光，从与R光及G光不同的面入射到十字分色棱镜112。
为色合成光学系统的十字分色棱镜112，具有2片分色膜112a、112b。分色膜112a、112b，正交成X字形而配置。分色膜112a，反射为s偏振光的R光，并透射为p偏振光的G光。分色膜112b，反射为s偏振光的B光，并透射为p偏振光的G光。这样一来，十字分色棱镜112，对分别被空间光调制装置110R、110G、110B调制了的R光、G光及B光进行合成。投影透镜130，将被十字分色棱镜112合成后的光投影到屏幕140。
分色膜112a、112b，通常，对s偏振光的反射特性优良。因此，如本实施例那样地，应分别被分色膜112a、112b反射的R光、B光，被设定得变成为s偏振光而入射到十字分色棱镜112。并且，应透射分色膜112a、112b的G光，被设定得变成为p偏振光而入射到十字分色棱镜112。
还有，在本实施例中，各光源部100R、100G、100B，为通过透镜LN而使光入射到各空间光调制装置110R、110G、110B的构成。不限于此，也可以为使光源部100R、100G、100B的出射开口的大小对应于空间光调制装置110R、110G、110B，而使来自各光源部100R、100G、100B的光直接入射到空间光调制装置110R、110G、110B的构成。
由于在光源部100R、100G、100B中采用上述的LED100，能够容易且廉价地制造光源部100R、100G、100B，并以高效率向空间光调制装置110R、110G、110B供给光。由此，起到能够容易且廉价地制造投影机1600，并能够以高效率显示明亮的图像的效果。
还有，上述的投影机1600，虽然为采用透射型液晶显示装置的构成，但是也可以为采用反射型液晶显示装置或摆动镜器件的构成。并且，本发明的发光元件，并不限于用于前投影型的投影机的光源部的情况，也可以用于背投影机的光源部中。而且，本发明的发光元件并不限于LED，也可以为EL元件或半导体激光等其他固体发光元件。
如以上地，本发明的发光元件，在以高的光利用效率供给明亮的光的情况下有用，特别，适于用于与透镜等组合而构成的照明光学系统，例如投影机的照明光学系统中。
权利要求
1.一种发光元件，其特征在于，具有发光部，其设置于基准面上，供给光，和光学部，其设置于上述发光部的出射侧，使来自上述发光部的光透射；上述光学部，其折射率在大致平行于上述基准面的二维方向上周期性地变化地形成，并具有相对上述发光部可以分别形成的构成。
2.按照权利要求1所述的发光元件，其特征在于，上述光学部，具备在大致垂直于上述基准面的方向上具有高度的多个凸部，或在大致垂直于上述基准面的方向上具有深度的多个凹部。
3.按照权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，上述光学部，形成为膜状。
4.按照权利要求1～3中的任何一项所述的发光元件，其特征在于，上述光学部，具有硅树脂构件。
5.按照权利要求1～4中的任何一项所述的发光元件，其特征在于，具有具备流动性构件的缓冲层；上述缓冲层，设置在上述发光部和上述光学部之间。
6.按照权利要求2～5中的任何一项所述的发光元件，其特征在于，上述光学部，具备具有大致圆柱形状的上述凸部。
7.按照权利要求6所述的发光元件，其特征在于，上述凸部，由一个凸部及与上述一个凸部相邻的其他2个凸部，配置于在大致平行于上述基准面的面上呈三角形的位置。
8.按照权利要求6或7所述的发光元件，其特征在于，上述凸部中，上述凸部所具备的圆柱形状的高度除以上述圆柱形状的直径之比，为2～3。
9.按照权利要求8所述的发光元件，其特征在于，上述凸部中，上述圆柱形状的高度除以上述圆柱形状的直径之比大致为2.5。
10.按照权利要求6～9中的任何一项所述的发光元件，其特征在于，上述光学部构成为，上述凸部所具备的圆柱形状的直径除以使多个上述凸部并列的间距之比，为0.65～0.85。
11.按照权利要求6～10中的任何一项所述的发光元件，其特征在于，上述光学部构成为，使多个上述凸部并列的间距，为500纳米～2000纳米。
12.一种供给来自发光部的光的发光元件的制造方法，其特征在于，包括光学部形成工序，其形成折射率在二维方向上周期性地变化的光学部；和光学部叠层工序，其将上述光学部叠层到设置于大致平行于上述二维方向的基准面上的上述发光部之上。
13.一种图像显示装置，其特征在于，具有具备供给光的发光元件的光源部，和相应于图像信号对来自上述光源部的光进行调制的空间光调制装置；上述发光元件，是权利要求1～11中任一项所述的发光元件。
全文摘要
本发明提供可以以高的外部出光效率，向预定的照明方向高效地供给光，可以容易且廉价地制造的发光元件等。其具有设置于基准面(SS)上，供给光的发光部(104)，和设置于发光部(104)的出射侧，使来自发光部(104)的光透射的光学部(101)；光学部(101)，折射率在大致平行于基准面(SS)的二维方向上周期性地变化地形成，并具有相对发光部(104)可以分别形成的构成。
文档编号H01L33/58GK1841799SQ20061005849
公开日2006年10月4日 申请日期2006年3月28日 优先权日2005年3月29日
发明者山内泰介 申请人:精工爱普生株式会社