CN102893199B - 显示元件、显示设备和投影显示设备 - Google Patents

Abstract

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。

Description

显示元件、显示设备和投影显示设备

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1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1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1)。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，该显示元件提高了光源1204的光利用效率。

专利文献

专利文献1：JP2008-532069A公开(翻译版)

非专利文献 

非专利文献1：用于RPTV光引擎的PhlatLight TM光子晶格LED；Christian Hoepfner；SID研讨会文摘37，1808(2006)(PhlatLight TMPhotonic Lattice LEDs for RPTV 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1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1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1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1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。

附图说明

图1是描述专利文献1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5D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剖视图。

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剖视图。

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剖视图。

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剖视图。

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剖视图。

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1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1具有多个等离子激元耦合部分11，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1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，从发光元件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1的平面图。图4是示出显示元件1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，一个发光元件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1μm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、铂、钯、铑、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、铂、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10nm到100nm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1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_l(λ_o)表示第一介电常数层16的复数介电常数，以ε_lr(λ_o)表示其实部，以ε_li(λ_o)表示其虚部；以ε_h(λ_o)表示第二介电常数层18的复数介电常数，以ε_hr(λ_o)表示其实部，以ε_hi(λ_o)表示其虚部，从而满足1≤ε_lr(λ_o)＜ε_hr(λ_o)的关系，其中λ_o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_li(λ_o)和虚部ε_hi(λ_o)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(λ_o)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1中提取所发出的光。相反，优选地，第二介电常数层18的实部ε_hr(λ_o)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1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；用k_spp，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ε_eff可以表示如下。

[公式1]  ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{\underset{D}{\∫\∫\∫}\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\ω},x,y,z)\exp \left(2j{k}_{\mathrm{spp},z}z\right)}{\underset{D}{\∫\∫\∫}\exp \left(z\right)}$ ...公式(1)

积分范围D是就等离子激元激发层17而言的入射侧部分或出射侧部分的三维坐标形式的范围。换句话说，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17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17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等离子激元激发层17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(1)中称为(+)z方向。

另一方面，假定用ε_metal表示等离子激元激发层17的介电常数的实部，用k₀表示真空中光的波数，则表面等离子激元的波数的z分量k_spp，z和表面等离子激元的波数的x和y分量k_spp可以表示如下。

[公式2]

$k_{\mathrm{spp},z}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{k_0}^2-{k_{\mathrm{spp}}}^2}$

...公式(2)

[公式3]

$k_{\mathrm{spp}}=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}}$

...公式(3)

这样，通过将等离子激元激发层17的入射侧部分的介电常数分布ε_in(ω，x，y，z)和等离子激元激发层17的出射侧部分的介电常数分布ε_out(ω，x，y，z)作为ε(ω，x，y，z)代入到公式(1)、公式(2)和公式(3)中，得到就等离子激元激发层17而言的入射侧部分的复数有效介电常数ε_effin和就等离子激元激发层17而言的出射侧部分的复数有效介电常数ε_effout。实际上，通过给出适当的初始值作为复数有效介电常数ε_eff并且迭代地计算公式(1)、公式(2)和公式(3)，能够容易地得到复数有效介电常数ε_eff。

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d_eff可以表示如下。

[公式4]  $d_{\mathrm{eff}}=\mathrm{Im}\left[\frac{1}{k_{\mathrm{spp},z}}\right]$ ...公式(4)

优选地，包括光导体12的任何层(除了载流子生成层15和等离子激元激发层17)和与波数矢量转换层19相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，以便降低光损耗。

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19相接触的介质，可以是固体、液体或气体的。此外，光导体12侧的周围介质可以与波数矢量转换层19侧的周围介质不同。

优选地，第一介电常数层16例如是SiO₂纳米棒阵列膜或者SiO₂、AlF₃、MgF₂、Na₃AlF₆、NaF、LiF、CaF₂、BaF₂或低介电常数塑料的多孔膜或薄膜。

优选地，第二介电常数层18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。

如图2所示，波数矢量转换层19布置在基板22上。如图3所示，波数矢量转换层19被与条带状透明电极13b相反地布置。换句话说，根据本实施例的波数矢量转换层19被布置在基板22的出射侧平面的一部分上，即与等离子激元耦合部分11相对应的位置处。如果必要的话，波数矢量转换层19可形成在基板22的出射侧平面的全部上。

波数矢量转换层19是出射层，在该出射层上，对进入波数矢量转换层19的光的波数矢量进行转换，通过第二介电常数层18从基板22提取光，然后将该光从显示元件1发出。换句话说，波数矢量转换层19将从基板22出射的光的出射角转换为预定的角度，使得显示元件1发出具有转换后的角度的光。即，波数矢量转换层19使显示元件1以与基板22的界面几乎正交的方向发出光。

波数矢量转换层19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1发出的光的波长的纹理结构；粗糙的表面结构；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，优选地，波数矢量转换层19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19是光子晶体时，优选地，其具有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19：在平板状基板上形成周期性凸起结构或周期性凹陷结构。

图5A至图5F示出显示元件1的等离子激元耦合部分11的制造过程。这些附图中所示的制造过程仅仅是一个示例，因此本发明并不局限于此。由于在其中形成了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5A所示，以条带形状在光阀部分10的基板22上形成透明电极13b，然后利用旋转涂覆技术在透明电极13b上涂覆抗蚀膜24。此后，利用电子束、光刻，印刷或类似技术从与像素相对应的等离子激元耦合部分11的一部分去除部分抗蚀膜24。

此后，如图5B所示，第二介电常数层18、等离子激元激发层17、第一介电常数层16和载流子生成层15相继层积在基板22上。

此后，如图5C所示，制备空腔涂有脱模剂的模具31。此后，用形成波数矢量转换层19的紫外线固化树脂填充模具31的空腔。与基板22的等离子激元耦合部分11侧相反的平面被放置在模具31上，然后用紫外线来固化紫外线固化树脂。结果，在基板22上形成波数矢量转换层19。

此后，如图5D所示，以条带形状在光导体12上形成透明电极13a，使得透明电极13a与以条带形状形成的透明电极13b正交。此外，使用光刻、印刷或类似技术形成垫片14。此后，如图5E所示，在基板22上形成的透明电极13b被连接至在光导体12上形成的垫片14。最后，如图5F所示，将波数矢量转换层19与模具31分离以便将模具31从基板22上去除。结果，在光导体12和基板22之间形成等离子激元耦合部分11。

将描述在具有前述结构的显示元件1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19出射期间执行的光的动作。图6是描述显示元件1中光的动作的剖视图。

如图6所示，从发光元件25发出的光穿过光导体12的光入射面12a，并且全反射地在光导体12中传播。在光导体12中传播的光到达透明电极13a和光导体12之间的界面。当特定像素的光学连接机构23处于ON(开启)状态时，等离子激元耦合部分11的载流子生成层15被移动到第一位置，等离子激元耦合部分11的载流子生成层15在该第一位置与透明电极13a接触，从而穿过透明电极13a的光进入到载流子生成层15。与此相反，当光学连接机构23处于OFF(关闭)状态时，从光导体12出射的光在透明电极13a和由透明电极13a和载流子生成层15形成的空间之间的界面处被全部反射，并被返回到光导体12。因此，该光并未进入等离子激元耦合部分11。返回到光导体12的光进入其光学连接机构23处于ON状态的等离子激元耦合部分11，然后从波数矢量转换层19出射。通过重复该操作，大多数进入光导体12的光从所希望的组成像素的等离子激元耦合部分11出射。

载流子生成层15利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17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18。光通过透明电极13b和基板22进入波数矢量转换层19。波数矢量转换层23衍射该光，然后该光从显示元件1出射。从等离子激元激发层17和第二介电常数层18之间的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网形状展开。假定具有最高强度的出射角被称为中心出射角，而从中心出射角到具有最高强度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18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17的介电常数和夹住等离子激元激发层17的层的有效介电常数。

假定用Λ表示波数矢量转换层19的周期性结构的节距，用ε_effout表示等离子激元激发层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，用ε_m表示周围介质的介电常数，并用λ_o表示从波数矢量转换层19出射的光在真空中的波长，则从波数矢量转换层19出射的光的中心出射角θ_rad可以表示如下。

[公式5]  ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rad}}=S{\mathrm{in}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{Re}\left[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{effout}}}\right]\sin \mathrm{\θ}-i\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\Λ}}}{\mathrm{Re}\left[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_m}\right]}\right)$ ...公式(5)

其中i是正整数或负整数。

换句话说，部分进入载流子生成层15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1出射。由于从显示元件1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，因此显示元件1可具有高方向性。换句话说，从显示元件1发出的光的发光强度分布不取决于发光元件25的发光强度分布。

如上所述，在根据第一实施例的显示元件1中，从波数矢量转换层19出射的光的出射角取决于等离子激元激发层17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1发出的光的方向性不受发光元件25的方向性限制。此外，通过在发光过程中使用等离子激元耦合，根据本实施例的显示元件1能够使所发出的光的发射角变窄，从而提高所发出的光的方向性。换句话说，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1发出的光的集光率。此外，由于从显示元件1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1发出的光的集光率被保持为低时，可以合并发光元件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，与第一实施例相似的结构部分用相似的标号表示，并将省略对其的描述。

(第二实施例)

图7是示意性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光学连接机构的结构上不同于根据第一实施例的显示元件。由于除了光学连接机构之外第二实施例的结构与第一实施例的结构相同，因此与第一实施例相似的结构部分用相似的标号表示，并将省略对其的描述。

根据第一实施例，使用了以矩阵形状形成的透明电极13a和13b。与此相比，如图7所示，根据第二实施例的显示元件2的光学连接机构26具有一对透明电极27a和27b以及选择性地驱动布置在基板22侧的透明电极27b的TFT 28。

图8是示出根据第二实施例的显示元件2的部分光学连接机构26的平面图。图8示出了构成九个像素的透明电极27b。如图8所示，多个TFT电极29a和多个TFT电极29b布置在基板22的与光导体12相对的底面，使得多个TFT电极29a与多个TFT电极29b正交。TFT 28布置在TFT电极29a和TFT电极29b的交叉处。TFT 28电连接至透明电极27b。这样，光学连接机构26的透明电极27a被形成在光导体12的与基板22相对的平面上，并且被构造为所有像素的公用电极。

可使用已知制造技术来制造TFT 28。用于根据第二实施例的显示元件2的制造方法与根据第一实施例的制造方法相同。此外，由于光学连接机构26的操作与根据第一实施例的光学连接机构23的操作相同，因此将省略对光学连接机构26的操作的描述。

具有前述结构的根据第二实施例的显示元件2可获得与第一实施例相同的效果，并可实现具有高亮度和高方向性的显示元件。此外，由于第二实施例的光学连接机构26使用TFT 28，因此可降低显示元件2的功耗。

(第三实施例)

图9是示意性示出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光学连接机构的结构上不同于根据第一实施例的显示元件。由于除了光学连接机构之外第三实施例的结构与根据第一实施例的结构相同，因此与第一实施例相似的结构部分用相似的标号表示，并将省略对其的描述。

根据上述第二实施例，TFT 28和TFT电极29a和29b驱动布置在基板22侧的透明电极27b。与此相比，如图9所示，根据第三实施例的显示元件3的光学连接机构33具有一对透明电极37a和37b以及选择性地驱动布置在光导体12侧的透明电极37b的TFT 38。

多个TFT电极39a和多个TFT电极39b布置在光导体12的与基板22相对的平面上，使得多个TFT电极39a与多个TFT电极39b正交。TFT38布置在TFT电极39a和TFT电极39b的交叉处。TFT38电连接至透明电极37a。光学连接机构33的透明电极37b被形成在基板22的与光导体12相对的整个底面上，并且被构造为所有像素的公用电极。

具有前述结构的根据第三实施例的显示元件3可获得与第一实施例相同的效果，并可实现具有高亮度和高方向性的显示元件。此外，与第二实施例中一样，由于第三实施例的光学连接机构33使用TFT38，因此可降低显示元件3的功耗。

(第四实施例)

图10是示意性示出根据本发明第四实施例的显示元件的剖视图。根据第四实施例的显示元件在波数矢量转换层的位置上不同于根据第一实施例的显示元件。在第四实施例中，与第一实施例相似的结构部分用相似的标号表示，并且将省略对其的描述。

如图10所示，根据第四实施例的显示元件4具有：光阀部分40；布置在光阀部分40中的多个等离子激元耦合部分11；和布置在其中的波数矢量转换层49。根据上述第一实施例，在基板22上布置波数矢量转换层19。与此相比，根据第四实施例，在基板22和等离子激元激发层17之间布置波数矢量转换层49。

光阀部分40具有移动等离子激元耦合部分11的光学连接机构43。光学连接机构43具有透明电极47，波数矢量转换层49被埋入在透明电极47中。透明电极47布置在基板22的与光导体12相对的底面。与根据第一实施例的透明电极13b类似，以条带形状布置透明电极47，使得透明电极47与以条带形状布置的透明电极13a正交。

波数矢量转换层49具有二维周期性结构，并被埋入在透明电极47的与光导体12相对的平面内。

在根据第四实施例的显示元件4中，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、波数矢量转换层49、透明电极47、基板22和介质的出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而言的包括第一介电常数层16、载流子生成层15和透明电极13a的入射 侧部分的有效介电常数。

在根据第四实施例的显示元件4中，由于等离子激元激发层17和波数矢量转换层49之间的距离可被减小，因此次级光源的发光面积可被减小，并且从显示元件4发出的光的展开可被降低。

(第五实施例)

图11是示意性示出根据本发明第五实施例的显示元件的剖视图。根据第五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上述第一实施例的显示元件。在根据第一实施例的显示元件1中，在等离子激元激发层17中激发的光从波数矢量转换层19出射。根据第五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11所示，根据第五实施例的显示元件5具有：光阀部分40；布置在光阀部分40中的多个等离子激元耦合部分51；和布置在其中的波数矢量转换层59。

等离子激元耦合部分51布置在光阀部分40的基板22和光导体12之间，并且具有层积结构，其中载流子生成层55和等离子激元激发层57被相继层积。波数矢量转换层59具有二维周期性结构，并被埋入在透明电极47的与光导体12相对的平面内。

可在等离子激元激发层57和载流子生成层55之间布置第二介电常数层。作为替代，可在等离子激元激发层57和波数矢量转换层59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57夹在具有介电常数的两个层之间。根据第五实施例，这两个层对应于载流子生成层55和波数矢量转换层59。在根据本实施例的显示元件2中，相对于等离子激元激发层57而言的包括光导体12、透明电极13a和载流子生成层55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57而言的包括波数矢量转换层59、透明电极47、基板22和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57的入射侧部分(载流子生成层55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57的出射侧部分(波数矢量转换层59侧)的复数有效介电常数的实部。

优选地，包括光导体12的任何层(除载流子生成层55和等离子激元激发层57以外)和与波数矢量转换层59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，可容易地发生等离子激元耦合，以便降低光损耗。

将描述在具有前述结构的显示元件5中，在从发光元件25发出的光进入等离子激元耦合部分51之后一直到光从波数矢量转换层59出射期间所执行的光的动作。

像根据第一实施例的显示元件1一样，当载流子生成层55连接至透明电极13a时，从发光元件25发出的光穿过载流子生成层55和透明电极13a之间的界面，然后进入所希望的构成像素的等离子激元耦合部分51。光通过光导体12进入载流子生成层55。载流子生成层55利用入射光生成载流子。所生成的载流子与等离子激元激发层57中包含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57与波数矢量转换层59之间的界面处激发表面等离子激元。波数矢量转换层59对激发的表面等离子激元进行衍射，然后光从显示元件5出射。

如果在等离子激元激发层57与波数矢量转换层59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。根据本实施例，由于波数矢量转换层59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59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59的周期性结构的节距，则从波数矢量转换层59出射的光的中心出射角θ_rad可以表示如下。

[公式6]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rad}}={\mathrm{Sin}}^{-1}\left(\frac{k_{\mathrm{spp}}-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}}{k_0}\right)$

...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57与波数矢量转换层59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59出射的光的角度分布同样变窄。

如在第一实施例中那样，在具有前述结构的根据第五实施例的显示元件5中，进入载流子生成层55的一部分光以取决于等离子激元耦合部分51的特性的方向从显示元件5出射。因此，由于从显示元件5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，因此显示元件5可具有高方向性。此外，由于根据第五实施例的显示元件5比根据第一实施例的显示元件1的层数少，所以可减少制造过程的步骤数量。

(第六实施例)

图12是示意性示出根据本发明第六实施例的显示元件的剖视图。根据第六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1。

如图12所示，根据第六实施例的显示元件6的等离子激元耦合部分61布置在光阀部分60的基板22和光导体12之间。等离子激元耦合部分61具有层积结构，其中载流子生成层65和等离子激元激发层67被相继层积。透明电极63被层积在等离子激元激发层67的光出射侧，而硬涂层66被层积在载流子生成层65的光入射侧。 

根据第六实施例的等离子激元激发层67具有周期性结构67a，周期性结构67a具有上述波数矢量转换层19、49和59的功能。周期性结构67a具有一维或二维栅格结构(崎岖结构)。同样地，硬涂层66和载流子生成层65具有与等离子激元激发层67的周期性结构67a相对应的周期性结构。同样地，透明电极63具有形状与等离子激元激发层67的周期性结构67a的形状相同的周期性结构。因此，部分等离子激元激发层67被埋入到透明电极63的与光导体12相对的平面。

当光进入载流子生成层65时，在透明电极63和与透明电极63接触的等离子激元激发层67之间的界面处以及载流子生成层65和等离子激元激发层67之间的界面处产生表面等离子激元。这些表面等离子激元可以被作为光而以满足如下的公式(9)的方向从等离子激元激发层67中提取。

具体地，用ω表示从载流子生成层65出射的光在真空中的角频率，用c表示在真空中的光速，用ε_metal表示等离子激元激发层67的介电常数，用ε_sub表示载流子生成层65的介电常数，用ε_medi表示与等离子激元激发层67接触的透明电极63的介电常数，用k_spp.medi表示在与等离子激元激发层67接触的透明电极63和等离子激元激发层67之间的界面处的表面等离子激元的波数，用k_spp.sub表示载流子生成层65和等离子激元激发层67之间的界面处的表面等离子激元的波数，用K_x表示在等离子激元激发层67的周期性结构67a的x方向上的波数矢量，并用K_y表示在等离子激元激发层67的周期性结构67a的y方向上的波数矢量(其中xy平面是平行于基板22的平面)。

[公式7]

$k_{\mathrm{spp},\mathrm{medi}}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{medi}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{medi}}}}$

...(7)

[公式8]

$k_{\mathrm{spp},\mathrm{sub}}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{subi}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sub}}}}$

...(8)

[公式9]

$k_{\mathrm{app},\mathrm{medi}}+{\mathrm{mK}}_x+n{K}_y=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{medi}}}\sin \mathrm{\θ}$

...(9)

[公式10]

k_spp，medi+mK_x+nK_y＝k_spp，sub

...(10)

光以满足公式(9)的角θ的方向从等离子激元激发层67出射。在这种情况下，m和n为正整数或负整数。当满足公式(10)时，从显示元件6发出的光的强度变得最高。

图13A至图13E示出了根据第六实施例的显示元件6的等离子激元耦合部分的制造过程。

首先，利用诸如旋转涂覆、气相沉积或溅射技术之类的涂膜技术在基板22上形成透明电极63和抗蚀膜(未示出本步骤)。此后，利用电子束、光刻或印刷技术在抗蚀膜上画出具有所希望的周期性结构的图案，然后，如图13A所示，利用湿法或干法刻蚀技术将该图案转移到透明电极63上。

此后，从透明电极63去除抗蚀膜，然后使用旋转涂覆技术在透明电极63上涂覆抗蚀膜68。此后，使用电子束、光刻或印刷技术去除与用于像素的等离子激元耦合部分61相对应的部分抗蚀膜68。

此后，如图13B所示，使用诸如旋转涂覆、气相沉积或溅射技术之类的膜形成技术在透明电极63上相继层积等离子激元激发层67、载流子生成层65和硬涂层66。此后，如图13C所示，把在抗蚀膜68上形成的构成等离子激元耦合部分61的各个层连同抗蚀膜68从基板22上的透明电极63剥离。结果，在基板22上与像素对应的预定位置处形成等离子激元耦合部分61。

此后，如图13D所示，在光导体12上以条带形状形成透明电极13a，使得透明电极13a与以条带形状形成的透明电极63正交。此后，通过使用光刻、印刷或类似技术形成垫片14。此后，如图13E所示，在基板22上形成的透明电极63被连接至在光导体12上形成的垫片14。结果，在光导体12和基板22之间形成等离子激元耦合部分61。应注意本制造方法仅仅是一个示例，因此本发明并不局限于此。

具有前述结构的根据第六实施例的显示元件6可获得与前述实施例相 同的效果，从而第六实施例可实现具有高亮度和高方向性的显示元件。此外，由于根据第六实施例的显示元件的层数比根据第一至第四实施例的显示元件的层数少，因此可减少制造过程的步骤数量。

(第七实施例)

图14是示意性示出根据本发明第七实施例的显示元件的剖视图。根据第七实施例的显示元件与根据第一至第六实施例的显示元件的不同之处在于：光阀部分具有快门机构，作为在从发光元件发出的光的透射状态和遮挡状态之间进行切换的光学快门装置。由于根据第七实施例的等离子激元耦合部分与根据第一实施例的等离子激元耦合部分11相同，因此与第一实施例相似的结构部分用相似的标号表示，并将省略对其的描述。

如图14所示，根据第七实施例的显示元件7具有：光阀部分70；布置在光阀部分70中多个等离子激元耦合部分11；和布置在其中的波数矢量转换层79。

光阀部分70具有：光导体72，从发光元件25发出的光进入光导体72中；多个快门机构73，其被与从光导体72出射的光的位置相对应地布置；和基板75，在基板75上二维地且有规则地布置多个等离子激元耦合部分11。

在光导体72的与底面相反的上平面上布置的是反射膜76。反射膜76具有多个开口76a，这些开口76a是与多个等离子激元耦合部分11相对应的光透射区，并且从光导体72出射的光通过该光透射区进入等离子激元耦合部分11。反射膜76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73布置在基板75的与光导体72相对的底面上。每一个快门机构73具有：MEMS快门77，MEMS快门77可以打开和关闭反射膜76的开口76a；和TFT(薄膜晶体管)78，TFT 78使得MEMS快门77打开/关闭开口76a。MEMS快门77或者MEMS快门77的光导体72侧平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作为像素被与光导体72上布置的反射膜76的开口76a相对应地以矩阵形状布置。同样地，多个快门机构73被与 由多个等离子激元耦合部分11构成的像素相对应地布置。图14示出了构成三个像素的等离子激元耦合部分11。

等离子激元耦合部分11被布置在基板75的紧接下方。第二介电常数层18被连接至与基板75的与光导体72相对的底面。 

波数矢量转换层79被层积在第二介电常数层18上，并被埋入在基板75的与光导体72相对的底面内。

根据本实施例，提供了光导体72。作为替代，可从光阀部分70中省略光导体72。例如，可将诸如发光元件25之类的光源布置在与快门机构相对的基板75上(快门机构73的光入射侧)。

在根据第七实施例的显示元件7中，等离子激元激发层17的包括层积在波数矢量转换层79侧的整个结构、波数矢量转换层79、基板75和与基板75接触的介质的出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17的包括层积在载流子生成层15侧的整个结构的入射侧部分的有效介电常数。

用于根据本实施例的显示元件7的制造方法与根据第一实施例的制造方法相同。通过装配基板75(在其上形成有等离子激元耦合部分11和TFT 76)和光导体72(在其上形成有MEMS快门77、结构部件74和反射膜76)，获得显示元件7。

将描述在具有前述结构的显示元件7中，在从发光元件25发出的光进入光导体72之后一直到光通过等离子激元耦合部分11从波数矢量转换层79出射期间所执行的光的动作。图15是描述显示元件7中光的动作的剖视图。

如图15所示，从发光元件25发出的光穿过光导体72的光入射面72a，并且全反射地在光导体72中传播。当在光导体72中传播的光到达结构部件74时，结构部件74改变光的方向，然后光进入反射膜76的开口76a。这时，如果快门机构73的TFT 78处于ON状态，则MEMS快门77被移动到开口76a被暴露出来的位置。这样，穿过开口76a的光进入载流子生成层15。与此相反，如果TFT 78处于OFF状态，则MEMS快门77遮挡光并将其反射至快门77。然后，光返回到光导体72。穿过反射膜76 的开口76a的光进入等离子激元耦合部分11。此后，波数矢量转换层79衍射此光，然后此光从基板75出射。通过重复该操作，大多数进入光导体72的光从所希望的构成像素的等离子激元耦合部分11出射。

根据第七实施例的显示元件7能获得与上述第一实施例相同的效果。因此，第七实施例能实现具有高亮度和高方向性的显示元件。

(第八实施例)

图16是示意性示出根据本发明第八实施例的显示元件的剖视图。第八实施例与第七实施例在等离子激元耦合部分不同。根据第八实施例的等离子激元耦合部分与根据第五实施例的等离子激元耦合部分51相同。在第八实施例中，与第五和第七实施例相似的结构部分用相似的标号表示，并且将省略对其的描述。

如图16所示，根据第八实施例的显示元件8具有：光阀部分80；布置在光阀部分80中的多个等离子激元耦合部分51；和布置在其中的波数矢量转换层89。除了埋入有波数矢量转换层89的基板85之外，光阀部分80与根据第七实施例的光阀部分70具有相同结构。等离子激元耦合部分51具有布置在基板85和等离子激元激发层57之间的波数矢量转换层89。波数矢量转换层89被埋入在基板85的与电导体72相对的底面中。

与第五实施例类似，在根据第八实施例的显示元件8中，在等离子激元激发层57中激发的表面等离子激元作为光从显示元件8的波数矢量转换层89出射。因此，在显示元件8中，相对于等离子激元激发层57而言的包括载流子生成层55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57而言的包括波数矢量转换层89、基板85和与基板85接触的介质的出射侧部分的有效介电常数。

如果必要的话，可与等离子激元激发层57的入射侧和出射侧中的一者或二者相邻地布置介电常数层。如果介电常数层被布置为它们将等离子激元激发层57夹在中间，则第一介电常数层16被布置为与等离子激元激发层57的波数矢量转换层89侧相邻，而第二介电常数层18被布置为与等离子激元激发层57的载流子生成层55侧相邻，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。如果第一介电常数层16和第二 介电常数层18被布置为与等离子激元激发层57相邻，则第一介电常数层16和第二介电常数层18的厚度被设置为小于等离子激元的有效交互距离。

具有前述结构的根据第八实施例的显示元件8像第五实施例那样使用表面等离子激元。第八实施例可获得与前述实施例相同的效果，并且可实现具有高亮度和高方向性的显示元件。

(第九实施例)

图17是示意性示出根据本发明第九实施例的显示元件的剖视图。第九实施例与上述第七实施例的不同之处在于：根据第九实施例的等离子激元耦合部分与根据第六实施例的等离子激元耦合部分61相同。在第九实施例中，与第六和第七实施例相似的结构部分用相似的标号表示，并且将省略对其的描述。

如图17所示，根据第九实施例的显示元件9具有光阀部分90和布置在光阀部分90中的多个等离子激元耦合部分91。除了埋入有将稍后描述的等离子激元激发层97的基板95之外，光阀部分90与根据第七实施例的光阀部分70的具有相同结构。

如在第六实施例中那样，根据第九实施例的显示元件9的等离子激元耦合部分91像第六实施例那样使用表面等离子激元，并且具有层积结构，在该层积结构中，载流子生成层95和等离子激元激发层97被相继层积。部分等离子激元激发层97被埋入在基板95的与光导体72相对的底面。

根据第九实施例的等离子激元激发层97具有周期性结构97a，周期性结构97a具有上述波数矢量转换层19的功能。同样地，载流子生成层95具有等离子激元激发层97的周期性结构97a的形状的周期性结构。

具有前述结构的根据第九实施例的显示元件9可获得与前述实施例相同的效果，从而该第九实施例可实现具有高亮度和高方向性的显示元件。此外，由于根据第九实施例的显示元件的层数比根据第七和第八实施例的显示元件的层数少，所以可减少制造过程的步骤数量。

根据前述第七至第九实施例，快门机构被布置在等离子激元耦合部分 的入射侧。作为替代，快门机构可布置在等离子激元耦合部分的出射侧。在这种情况下，与上述实施例类似，可提高从显示元件发出的光的方向性。然而，在此种情况下，由于穿过光导体的光进入到等离子激元耦合部分，因此在快门机构关闭的像素内发生光学损耗。因此，前述实施例的结构是优选的。

根据前述第一至第九实施例，等离子激元耦合部分布置在基板和光导体之间。应注意本发明并不局限于这种结构。作为替代，可在等离子激元耦合部分的载流子生成层的下方布置硬涂层(未示出)。硬涂层可被形成为部分或完全覆盖等离子激元耦合部分的外周的膜。

(示例1)

图18示出从根据第四实施例的显示元件出射的光的角度分布。在图18中，横轴代表从显示元件1出射的光的出射角，而纵轴代表该光的强度。

制备由SiO₂制成的光导体12、由ITO制成的透明电极13、由包含PVA(聚乙烯醇)作为主要成分的荧光物质制成的载流子生成层15、由多孔SiO₂制成的第一介电常数层16、由Ag制成的等离子激元激发层17、由TiO₂制成的第二介电常数层18、由TiO₂制成的波数矢量转换层49、由ITO制成的透明电极13a和47以及由PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)塑料制成的基板22，使得它们的厚度分别为5mm、100nm、50nm、50nm、50nm、10μm、950nm、200nm和0.2mm。从载流子生成层15发出的光的波长为460nm。等离子激元耦合部分11的周围气体为空气。波数矢量转换层18的节距和占空比被分别设置为262nm和0.5。多孔SiO₂的介电常数为1.12。

为了简单起见，以两个维度执行计算。当将发出的光的强度减半的全幅角度定义为发射角时，波长为460nm的光的发射角为±4.2(度)。

因此，在根据本实施例的显示元件中，当从显示元件发出的光的发射角的方向性被提高，并且波数矢量转换层49的栅格结构被充分调整时，可将发射角缩窄到±5以内，以便进一步提高方向性。

根据本实施例的显示元件可适用于图像显示设备的显示元件。此外， 根据本实施例的显示元件可用于投影显示设备的显示元件、诸如移动电话或PDA(个人数字助理)之类的电子设备的显示元件或者显示设备。

最后，将参考附图描述作为投影显示设备的、具有固态光源的投影仪的结构的示例，根据前述第一至第九实施例每一个的显示元件被应用于该投影显示设备。图19是示意性示出根据本发明实施例的具有固态光源的投影仪的透视图。

如图19所示，根据本发明实施例的具有固态光源的投影仪具有多个发光元件25a、25b和25c，以及发光元件25a、25b和25c的光进入其中的红色(R)显示元件1r、绿色显示元件1g和蓝色显示元件1b。此外，具有固态光源的投影仪具有：十字分色棱镜102，其可将通过显示元件1r、1g和1b而调制的R、G和B光合并；和投影光学系统103，其包括将从十字分色棱镜102出射的光投影到诸如屏幕之类的投影平面上的投影镜头(未示出)。这种具有固态光源的投影仪具有三面板型投影仪的结构。

根据本发明每一个实施例的显示元件可应用于图20中所示的单面板型投影仪。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。

如图20所示，根据另一个实施例的具有固态光源的投影仪具有：多个发光元件25u；显示元件1，从发光元件25u发出的光进入显示元件1中；和投影光学系统103，其包括将从显示元件1发出的光投影到诸如屏幕之类的投影平面上的投影镜头(未示出)。显示元件1的等离子激元耦合部分(未示出)具有载流子生成层(未示出)，这些载流子生成层由在与R、G和B相对应的每个像素中不同的材料制成。

当将根据本发明实施例的显示元件被应用于根据图19和图20中示出的实施例的具有固态光源的投影仪时，能够提高投影图像的亮度。

已经参考实施例描述了本发明。然而，本领域的技术人员应该理解，可以在不脱离本发明范围的情况下以各种方式改变本发明的结构和细节。

本申请要求基于2010年5月14日提交的日本专利申请JP2010-112072的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。

标号说明

1     显示元件

10    光阀部分

11    等离子激元耦合部分

15    载流子生成层

16    第一介电常数层

17    等离子激元激发层

18    第二介电常数层

19    波数矢量转换层

22    基板

23    光学连接机构

25    发光元件

Claims (14)

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在所述基板下方，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所述载流子生成层或介电常数层中的任一者与具有介电常数的所述出射层或介电常数层中的任一者之间。

2.根据权利要求1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。

3.根据权利要求1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。

4.根据权利要求1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。

5.根据权利要求1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。

6.根据权利要求3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ε_eff，其满足

[公式1]

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{\underset{D}{\∫\∫\∫}\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\ω},x,y,z)\exp \left(2{\mathrm{jk}}_{\mathrm{spp},z}z\right)}{\underset{D}{\∫\∫\∫}\exp \left(z\right)}$    ...公式(1)

这里，用x轴和y轴表示与所述等离子激元激发层的界面平行的方向；用z轴表示与所述等离子激元激发层的界面垂直的方向；用ω表示从所述载流子生成层出射的光的角频率；用ε(ω,x,y,z)表示所述入射侧部分或所述出射侧部分的电介质的介电常数分布；用D表示积分范围，该积分范围是所述入射侧部分或所述出射侧部分的三维坐标形式的范围；用k_spp,z表示表面等离子激元的波数的z分量；并且用j表示虚数单位，并且

其中，表面等离子激元的波数的z分量k_spp,z以及x和y分量k_spp满足

[公式2]

$k_{\mathrm{spp},z}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{k_0}^2-{k_{\mathrm{spp}}}^2}$    ...公式(2)

[公式3]

$k_{\mathrm{spp}}=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}}$

                   ...公式(3)

这里，用ε_metal表示所述等离子激元激发层的介电常数的实部，用k₀表示在真空中光的波数。

7.根据权利要求1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。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求1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。

10.根据权利要求1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。

11.根据权利要求1所述的显示元件，

其中，所述出射层由光子晶体制成。

12.根据权利要求1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。

13.一种显示设备，包括：

根据权利要求1所述的显示元件；和

至少一个发光元件。

14.一种投影显示设备，包括：

根据权利要求13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。