專利名稱：光學(xué)元件、光源裝置以及投射顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用等離子體激元耦來輸出光的光學(xué)元件、一種光源裝置以及一種投射顯示裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了一種使用LED作為在光源裝置中所包含的發(fā)光元件的發(fā)光二極管 (LED)投影儀。這種類型的LED投影儀包括具有LED的光源裝置；照明光學(xué)系統(tǒng)，出自光源裝置的光入射到該照明光學(xué)系統(tǒng)中；燈泡，該燈泡具有液晶顯示器板，出自照明光學(xué)系統(tǒng)的光入射到該液晶顯示器板中；以及投射光學(xué)系統(tǒng)，該投射光學(xué)系統(tǒng)用于將出自燈泡的光投射到投射表面上。
在LED投影儀中，為了增加投射影像的亮度，必須盡可能阻止從光源裝置到燈泡的光程上的光損耗。
如非專利文獻(xiàn)1中所描述的，存在基于集光率的限制，所述集光率由光源裝置的面積與輻射角的乘積確定。換言之，出自光源裝置的光不被用作投射光，除非光源裝置的發(fā)光面積與輻射角的乘積的值被設(shè)定為等于或小于燈泡的入射表面面積與由投射透鏡的F 數(shù)所確定的俘獲角(立體角)的乘積的值。
因此，在包括LED和出自LED的光所入射的光學(xué)元件的光源裝置中，通過降低從光學(xué)元件所輸出的光的集光率來減小光損耗是需要注意的問題。
在LED投影儀中所包含的光源裝置中，通過使用多個LED來補(bǔ)償由單個LED所發(fā)出的光量的不足從而實現(xiàn)大約幾千流明的投射光通量是必要的。
作為這樣的使用多個LED的光源的實例，如圖1中所示，專利文獻(xiàn)1公開了一種光源單元，該光源單元包括多個具有LED 8 至84f的單色光源裝置83a至83f ；光軸配對構(gòu)件8 至82d，該光軸配對構(gòu)件8 至82d用于匹配出自單色光源83a至83f的光的光軸； 光源組81a和81b，出自光軸配對構(gòu)件8 至82d的光入射到所述光源組中；以及導(dǎo)光裝置 80，出自光源組81a和81b的光入射到該導(dǎo)光裝置中。在這個光源單元中，出自多個單色光源裝置83a至83f的光被合成，并且具有通過光源組81a和81b而變窄的輻射角的光入射到導(dǎo)光裝置80。在這個構(gòu)造中，光損耗通過使入射在導(dǎo)光裝置80上的光的輻射角變窄而減小。
作為使用多個LED的光源裝置的另一實例，如圖2中所示，專利文獻(xiàn)2公開了一種光源裝置，該光源裝置包括光源基板86，該光源基板具有布置在一平面上的多個LED 85。 這個光源裝置包括光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有兩個棱鏡片88和89，每個棱鏡片具有棱鏡柱，所述棱鏡柱形成在一個表面上并且通過將棱鏡柱設(shè)置成相互交叉而布置；以及框架 87，該框架用于支撐棱鏡片88和89。在該光源裝置中，出自多個LED 85的光由兩個棱鏡片 88和89合成。
引用列表
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1 JP2008-145510A
專利文獻(xiàn)2 JP2009-87695A
非專利文獻(xiàn)
非專利文獻(xiàn) 1 :PhlatLight TM Photonic Grating LEDs for RPTV Light Engines Christian Hoepfner, SID Symposium Digest 37,1808 (2006)發(fā)明內(nèi)容
然而，在專利文獻(xiàn)1中所描述的構(gòu)造中，光軸配對構(gòu)件8 至82d的二向色性反射表面的發(fā)光面積比LED 8 至84f的那些發(fā)光面積大。因此，當(dāng)將入射在導(dǎo)光裝置80的光的集光率與出自LED 84a至84f的光的集光率相比時，不存在集光率上的變化。
因此，在專利文獻(xiàn)1所描述的構(gòu)造中，依存于LED^a至84f的集光率的從導(dǎo)光裝置80所輸出的光的集光率不能減小。
在專利文獻(xiàn)2中所描述的構(gòu)造中，多個LED85在平面上的布置導(dǎo)致光源的發(fā)光面積的總體尺寸增加，因此，產(chǎn)生了存在光源本身的集光率增加的問題。
換言之，在專利文獻(xiàn)1和2所公開的構(gòu)造中，出自光源單元和光源裝置的光的集光率依存于出自LED的光的集光率，并且出自光學(xué)元件的光的集光率因此不能減小。
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)元件、包括該光學(xué)元件的光源裝置以及提供一種投射顯示裝置，該光學(xué)元件能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題并且能夠減小從光學(xué)元件所輸出的光的集光率，而對發(fā)光元件的集光率沒有任何依賴。
問題的解決辦法
為了實現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件包括光引導(dǎo)體，出自發(fā)光元件的光入射到該光引導(dǎo)體中；形成在光引導(dǎo)體中的載流子產(chǎn)生層，其中載流子由出自光引導(dǎo)體的光產(chǎn)生；等離子體激元激發(fā)層，該等離子體激元激發(fā)層堆疊在載流子產(chǎn)生層上，該等離子體激元激發(fā)層具有比當(dāng)載流子產(chǎn)生層被出自發(fā)光元件的光激發(fā)時所產(chǎn)生的光的頻率更高的等離子體頻率；以及出射層，該出射層堆疊在所述等離子體激元激發(fā)層上，該出射層將從等離子體激元激發(fā)層入射的光轉(zhuǎn)換成具有預(yù)定出射角的光以輸出該光。等離子體激元激發(fā)層夾在具有介電性的兩個層之間。
根據(jù)本發(fā)明的光源裝置包括本發(fā)明的光學(xué)元件以及位于光引導(dǎo)體的外周上的發(fā)光元件。
根據(jù)本發(fā)明的投射顯示裝置包括本發(fā)明的光源裝置以及通過從該光源裝置所輸出的光來投射投影圖像的投射光學(xué)系統(tǒng)。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明，能夠減小出自光學(xué)元件的光的集光率，而對發(fā)光元件的集光率沒有任何依賴。


圖1是示出了根據(jù)專利文獻(xiàn)1的構(gòu)造的說明性示意圖。
圖2是示出了根據(jù)專利文獻(xiàn)2的構(gòu)造的說明性分解透視圖。
圖3是示意性地示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置的透視圖。
圖4是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中光的行為的說明性截面圖。
圖5是示意性地示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中所包含的方向性控制層的透視圖。
圖6A是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的制造過程的說明性截面圖。
圖6B是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的制造過程的說明性截面圖。
圖6C是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的制造過程的說明性截面圖。
圖6D是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的制造過程的說明性截面圖。
圖6E是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的制造過程的說明性截面圖。
圖7A是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的說明性截面圖。
圖7B是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的說明性截面圖。
圖7C是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的說明性截面圖。
圖7D是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的說明性截面圖。
圖8A是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的另一實例的說明性截面圖。
圖8B是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的另一實例的說明性截面圖。
圖8C是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的另一實例的說明性截面圖。
圖8D是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的另一實例的說明性截面圖。
圖8E是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的另一實例的說明性截面圖。
圖8F是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的另一實例的說明性截面圖。
圖8G是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的另一實例的說明性截面圖。
圖8H是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的光子晶體的形成過程的另一實例的說明性截面圖。
圖9是示出了根據(jù)第一實施例的其中微透鏡陣列布置在方向性控制層的表面上的構(gòu)造的透視圖。
圖IOA是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的微透鏡陣列的形成過程的說明性截面圖。
圖IOB是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置中的微透鏡陣列的形成過程的說明性截面圖。
圖11是示意性地示出了根據(jù)第二實施例的光源裝置中所包含的方向性控制層的透視圖。
圖12是示意性地示出了根據(jù)第三實施例的光源裝置中所包含的方向性控制層的透視圖。
圖13是示意性地示出了根據(jù)第四實施例的光源裝置中所包含的方向性控制層的透視圖。
圖14是示意性地示出了根據(jù)第五實施例的光源裝置中所包含的方向性控制層的透視圖。
圖15是示意性地示出了根據(jù)第六實施例的光源裝置中所包含的方向性控制層的透視圖。
圖16是示意性地示出了根據(jù)第七實施例的光源裝置中所包含的方向性控制層的透視圖。
圖17是示意性地示出了根據(jù)第八實施例的光源裝置中所包含的方向性控制層的透視圖。
圖18是示出了根據(jù)第九實施例的光源裝置的透視圖。
圖19是示出了根據(jù)第九實施例的光源裝置中所包含的用于軸向?qū)ΨQ偏振的1/2 波長板的結(jié)構(gòu)的縱向截面圖。
圖20A是示出了根據(jù)第九實施例光源裝置中所包含的用于軸向?qū)ΨQ偏振的1/2波長板的說明性透視圖。
圖20B是示出了根據(jù)第九實施例光源裝置中所包含的用于軸向?qū)ΨQ偏振的1/2波長板的說明性透視圖。
圖21是示出了根據(jù)該實施例的當(dāng)用于軸向?qū)ΨQ偏振的1/2波長板未包含在光源裝置時輸出光的遠(yuǎn)場分布和偏振方向的透視圖。
圖22是示出了根據(jù)該實施例的當(dāng)用于軸向?qū)ΨQ偏振的1/2波長板包含在光源裝置時輸出光的遠(yuǎn)場分布和偏振方向的透視圖。
圖23是示出了根據(jù)實例的等離子共振特性的說明性視圖。
圖M是示出了根據(jù)該實例的輻射角特性的說明性視圖。
圖25示出根據(jù)第一實施例的將從有效介電常數(shù)所獲得的等離子共振角度與從光源裝置中的多層膜反射計算所獲得的等離子共振角度的比較。
圖沈示出根據(jù)第一實施例的光源裝置的輸出光中的角度分布。
圖27是示出了應(yīng)用該實施例的光源裝置的LED投影儀的示意圖。
圖觀是示出了光源的波長、熒光物質(zhì)的激發(fā)波長以及應(yīng)用該實施例的光源裝置的LED投影儀中所使用的發(fā)射波長的說明性視圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行描述。
(第一實施例)
圖3是示出了根據(jù)第一實施例的光源裝置的構(gòu)造的透視示意圖。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的光源裝置中光的行為的說明性截面圖。在光源裝置中，各個層實際上具有非常大的厚度，并且在各層之中在厚度方面存在大的差異。因此，難以用精確的尺度和比例繪制各層。因此，在附圖中，層不是以實際比例繪制的，并且從而是示意性地示出的。
如圖3和4中所示，根據(jù)本實施例的光源裝置50包括多個發(fā)光元件1 (la至In) 和一光學(xué)元件51，出自發(fā)光元件1的光入射到該光學(xué)元件中。光學(xué)元件51包括光引導(dǎo)體 2，從發(fā)光元件1所輸出的光入射到該光引導(dǎo)體2中；以及方向性控制層3，該方向性控制層 3用于通過入射出自從光引導(dǎo)體2的光來出射輸出光。
方向性控制層3用于出自提升光源裝置50的輸出光的方向性。例如，如在圖5中所示的第一實施例的情況下，方向性控制層3包括形成在光引導(dǎo)體2中載流子產(chǎn)生層6， 其中載流子由從光引導(dǎo)體2所入射的光的一部分產(chǎn)生；等離子體激發(fā)層8，該等離子體激發(fā)層8堆疊在載流子產(chǎn)生層6上，該等離子體激發(fā)層具有比當(dāng)載流子產(chǎn)生層6被出自發(fā)光元件1的光激發(fā)時所產(chǎn)生的光的頻率更高的等離子體頻率；以及波矢量轉(zhuǎn)換層10，該波矢量轉(zhuǎn)換層10堆疊在等離子體激元激發(fā)層8上，該波矢量轉(zhuǎn)換層是用于轉(zhuǎn)換入射光的波矢量以輸出光的出射層。
等離子體激元激發(fā)層8夾在具有介電性質(zhì)的兩個層之間。作為具有介電性質(zhì)的兩個層，如圖5中所示，方向性控制層3包括高介電常數(shù)層9，該高介電常數(shù)層夾在等離子體激元激發(fā)層8和波矢量轉(zhuǎn)換層10之間；以及低介電常數(shù)層7，該低介電常數(shù)層具有比高介電常數(shù)層9低的介電常數(shù)，該低介電常數(shù)層夾在載流子產(chǎn)生層6和等離子體激元激發(fā)層8 之間。
根據(jù)本實施例的光學(xué)元件1被構(gòu)造成使得包括堆疊在等離子體激元激發(fā)層8的光引導(dǎo)體2側(cè)上的整個結(jié)構(gòu)的入射側(cè)部分(在下文中，簡單地稱為入射側(cè)部分)的有效介電常數(shù)比包括堆疊在等離子體激元激發(fā)層8的波矢量轉(zhuǎn)換層10側(cè)上的整個結(jié)構(gòu)和與波矢量轉(zhuǎn)換層10產(chǎn)生接觸的介質(zhì)的出射側(cè)部分(在下文中，簡單地稱為出射側(cè)部分)的有效介電常數(shù)低。堆疊在等離子體激元激發(fā)層8的光引導(dǎo)體2側(cè)的整個結(jié)構(gòu)包括光引導(dǎo)體2。堆疊在等離子體激元激發(fā)層8的波矢量轉(zhuǎn)換層10的整個結(jié)構(gòu)包括波矢量轉(zhuǎn)換層10。
換言之，根據(jù)第一實施例，包括光引導(dǎo)體2和載流子產(chǎn)生層6的入射側(cè)部分相對于等離子體激元激發(fā)層8的有效介電常數(shù)比包括波矢量轉(zhuǎn)換層10和介質(zhì)的出射側(cè)部分相對于等離子體激元激發(fā)層8的有效介電常數(shù)低。
具體地，等離子體激元激發(fā)層8的入射側(cè)部分(發(fā)光元件1側(cè))的復(fù)有效介電常數(shù)的實數(shù)部分被設(shè)置成比等離子體激元激發(fā)層8的出射側(cè)部分(波矢量轉(zhuǎn)換層10側(cè))的復(fù)有效介電常數(shù)的實數(shù)部分低。
該復(fù)有效介電常數(shù)由下列表達(dá)式(1)表示，其中χ軸和y軸是平行于等離子體激元激發(fā)層8的界面的方向，ζ軸是垂直于等離子體激元激發(fā)層8的界面的方向，ω是從載流子產(chǎn)生層6所輸出的光的角頻率，ε (co、x、y和ζ)是入射側(cè)部分和出射側(cè)部分中的電介質(zhì)相對于等離子體激元激發(fā)層8的介電常數(shù)分布，Kspp,ζ是表面等離子體激元的波數(shù)的ζ分量，并且j是虛數(shù)單位
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的光學(xué)元件，進(jìn)一步包括介電常數(shù)層，該介電常數(shù)層形成為與所述等離子體激元激發(fā)層的出射層側(cè)相鄰或與所述等離子體激元激發(fā)層的光引導(dǎo)體側(cè)相鄰，或者是與所述等離子體激元激發(fā)層的出射層側(cè)和所述等離子體激元激發(fā)層的光引導(dǎo)體側(cè)相鄰。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其中所述等離子體激元激發(fā)層夾在一對介電常數(shù)層之間；并且與所述等離子體激元激發(fā)層的所述光引導(dǎo)體側(cè)相鄰的介電常數(shù)層的介電常數(shù)比與所述等離子體激元激發(fā)層的出射層側(cè)相鄰的介電常數(shù)層的介電常數(shù)低。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其中，形成為與所述等離子體激元激發(fā)層的光引導(dǎo)體側(cè)相鄰的所述介電常數(shù)層是低介電常數(shù)層，該低介電常數(shù)層具有比與所述等離子體激元激發(fā)層的出射層側(cè)相鄰的層的介電常數(shù)低的介電常數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其中，形成為與所述等離子體激元激發(fā)層的出射層側(cè)相鄰的所述介電常數(shù)層是高介電常數(shù)層，該高介電常數(shù)層具有比與所述等離子體激元激發(fā)層的光引導(dǎo)體側(cè)相鄰的層的介電常數(shù)高的介電常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的光學(xué)元件，進(jìn)一步包括另一等離子體激元激發(fā)層，該另一等離子體激元激發(fā)層具有比形成在所述光引導(dǎo)體和所述載流子產(chǎn)生層之間的所述發(fā)光元件的頻率高的等離子體頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的光學(xué)元件，進(jìn)一步包括低介電常數(shù)層，該低介電常數(shù)層形成為與所述光引導(dǎo)體的載流子產(chǎn)生層側(cè)相鄰并且具有比所述光引導(dǎo)體低的介電常數(shù)，其中，在所述載流子產(chǎn)生層中，載流子是通過當(dāng)出自所述光引導(dǎo)體的光處于在與所述載流子產(chǎn)生層的界面上全反射的狀態(tài)中時所產(chǎn)生的衰逝波而產(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其中，所述低介電常數(shù)層通過堆疊在介電常數(shù)上不同的多個介電層而形成，并且所述多個介電層被布置成使得介電常數(shù)能夠從所述載流子產(chǎn)生層側(cè)向所述等離子體激元激發(fā)層側(cè)順序地減小。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)元件，其中，所述高介電常數(shù)層通過堆疊在介電常數(shù)上不同的多個介電層而形成，并且所述多個介電層被布置成使得介電常數(shù)能夠從所述等離子體激元激發(fā)層側(cè)向所述出射層側(cè)順序地減小。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其中，所述低介電常數(shù)層具有從所述載流子產(chǎn)生層側(cè)向所述等離子體激元激發(fā)層側(cè)側(cè)逐漸減小的介電常數(shù)分布。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)元件，其中所述高介電常數(shù)層具有從所述等離子體激元激發(fā)層側(cè)向所述出射層側(cè)逐漸減小的介電常數(shù)分布。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至7和9至13中任一項所述的光學(xué)元件，其中，所述等離子體激元激發(fā)層通過堆疊由不同金屬材料制成的多個金屬層而形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的光學(xué)元件，其中，所述出射層具有表面周期性結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的光學(xué)元件，其中，所述出射層由光子晶體制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求6、9、10、和12中任一項所述的光學(xué)元件，其中，所述低介電常數(shù)是多孔層。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至7和9至17中任一項所述的光學(xué)元件，其中，所述等離子體激元激發(fā)層由Ag、Au、Cu、Al和Pt中的任何一種元素或含有上述各元素中的至少一種元素的合金制成。
19.一種光源裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的光學(xué)元件；以及發(fā)光元件，該發(fā)光元件位于所述光引導(dǎo)體的外周部分上。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述光源裝置，進(jìn)一步包括偏振轉(zhuǎn)換元件，該偏振轉(zhuǎn)換元件用于將從所述光學(xué)元件入射的軸向?qū)ΨQ偏振光布置在預(yù)定的偏振狀態(tài)。
21.一種投射顯示裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求19和20中任一項所述的光源裝置；以及投射光學(xué)系統(tǒng)，該投射光學(xué)系統(tǒng)通過從所述光源裝置所輸出的光來投射投影圖像。
全文摘要
公開了一種光學(xué)元件，該光學(xué)元件包括光引導(dǎo)體，出自發(fā)光元件的光入射到該光引導(dǎo)體上；載流子產(chǎn)生層(6)，該載流子產(chǎn)生層形成在光引導(dǎo)體中，在光引導(dǎo)體中載流子由出自光引導(dǎo)體的光產(chǎn)生；等離子體激元激發(fā)層(8)，該等離子體激元激發(fā)層堆疊在載流子產(chǎn)生層(6)上，該等離子體激元激發(fā)層具有比當(dāng)載流子產(chǎn)生層(6)由出自發(fā)光元件的光激發(fā)時所產(chǎn)生的光的頻率高的等離子體頻率；以及波矢量轉(zhuǎn)換層(10)，該波矢量轉(zhuǎn)換層堆疊在等離子體激元激發(fā)層(8)上，該波矢量轉(zhuǎn)換層將從等離子體激元激發(fā)層入射的光轉(zhuǎn)換成具有預(yù)定出射角的光以輸出該光。等離子體激元激發(fā)層(8)夾在低介電常數(shù)層(7)和高介電常數(shù)層(9)之間。
文檔編號F21Y101/02GK102549328SQ201080043918
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者棗田昌尚 申請人:日本電氣株式會社