CN103221740A - 光源单元和具有其的投影显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的光源单元设置有：包括发光面的LED（1）；和在与LED（1）的发光面相对的位置处设置并且其中透射轴的方向根据平面内位置改变的偏振器（2）。偏振器（2）具有凹凸结构，在该凹凸结构中，在从LED（1）侧入射的光中，具有平行于透射轴的偏振方向的光被透射，并且具有与透射轴正交的偏振方向的光被反射和衍射。该凹凸结构包括衍射光栅（3）。

Description

光源单元和具有其的投影显示设备
技术领域
本发明涉及一种具有由发光二极管（LED）代表的表面发射发光元件的光源单元，并且特别地涉及一种能够输出偏振光的光源单元。
背景技术
一些近来的液晶投影仪使用LED作为用于照明液晶面板的光源。
通常，在液晶投影仪中，需要利用偏振光照射液晶面板。来自LED的输出光是非偏振光。因此，如果LED被用作用于照明液晶面板的光源，则来自LED的全部的光线需要在一个方向上偏振。
图1示出一种能够使来自LED的全部光线在一个方向上偏振的光源单元。
如在图1中所示，该光源单元包括LED100和与LED100的发光面相对地定位的偏振器101。
偏振器101可以包括在平面中为一维的、周期性凹进和凸出图案或者可以从聚合物形成。在这里使用的偏振器101包括凹进和凸出图案。
偏振器101包括透射轴，并且透射具有平行于透射轴的偏振分量的光，而反射具有与透射轴正交的偏振分量的光。在具有凹进和凸出图案的偏振器101中，透射轴基本与凹进和凸出图案的周期方向相一致。在此情形中，对于在偏振器101上入射的光，平行于凹进和凸出图案的周期方向的偏振分量被称作TM波（或者TM偏振光）。平行于凹进和凸出图案的纵向方向（其与周期方向正交）的偏振分量被称作TE波（或者TE偏振光）。即，在从LED100的发光面出射的光中包括的TM波穿过偏振器101，而也在其中包括的TE波被偏振器101朝向LED100反射。
LED100的发光面镜面反射来自偏振器101的TE波。反射光朝向偏振器101行进。关于TE波被发光面的镜面反射，入射光和反射光具有相同的偏振方向。即，即使在镜面反射之后，也维持在镜面反射之前存在的偏振方向。
根据上述光源单元，仅包括在通过LED100的发光面出射的光中的TM波穿过偏振器101。这允许从光源单元输出的全部的光线在一个方向上偏振。
然而，如在图2中所示，在被反复地反射的同时，在通过LED100的发光面出射的光中包括的TE波在LED100的发光面和偏振器101之间传播。TE波不能被用作来自光源单元的输出光。
当在LED和偏振器之间设置用于将TE波偏振转换成TM波的装置，例如，四分之一波片时，从光源单元的出射光的强度能够增加。图3示出具有四分之一波片的光源单元。
如在图3中所示，四分之一波片102被设置在LED100和偏振器101之间。四分之一波片102被邻近于作为热源的LED100的发光面布置。因此需要由具有高耐热性的材料形成四分之一波片102。目前，由诸如石英或者云母的、提供高耐热性的晶体形成四分之一波片102。在考虑到处理准确度等的情况下，这种四分之一波片具有被设定为几百μm的厚度。
如在图4中所示，被偏振器101反射的TE波被四分之一波片102转换成圆偏振光。圆偏振光然后进入LED100的发光面。
已经进入LED100的发光面的圆偏振光被镜面反射。被镜面反射的光在维持圆偏振的情况下进入四分之一波片102。来自LED100的发光面的圆偏振光被四分之一波片102转换成TM波。来自四分之一波片102的TM波穿过偏振器101。
如上所述，被偏振器101反射的TE波通过穿过四分之一波片102两次，即，当从偏振器101朝向LED10行进时和当从TE波由此被反射的LED100的发光面朝向偏振器101镜面行进时被转换成TM波。以此方式将TE波偏振转换成TM波使得能够增加从光源单元的出射光的强度。
专利文献1公开了一项涉及包括LED和偏振器的光源单元的技术。专利文献2公开了一项涉及具有被设置在LED和偏振器之间的四分之一波片的光源单元的技术。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP2008-60534A
专利文献2：JP2005-79104A
发明内容
然而，图3所示光源单元存在以下问题。
在与LED100的发光面相对地设置偏振器101的光源单元中，在LED100的发光面和偏振器101之间传播的光的一部分通过光源单元的侧表面泄漏到外部。通过侧表面泄漏的光具有大的出射角并且不能被耦合到投影仪的光学系统。因此，光不能被有效率地使用。而且，阻止了泄漏光穿过偏振器101并且因此具有不同于其它光线的偏振方向的偏振方向。因此，即使利用这种光照射液晶面板也导致仅仅大约总光量的一半的利用率。
图5示出在包括LED和偏振器的光源单元（见图1）中，在输出光量（出射光量）和在LED的发光面和偏振器之间的距离之间的关系。纵坐标轴指示出射光量。横坐标轴指示在LED的发光面和偏振器之间的距离（mm）。在纵坐标轴上的比例被归一化从而当在LED的发光面和偏振器之间的距离为0mm时的出射光量为1。
在图5所示实例中，LED的发光面具有3mm×4mm的尺寸，并且偏振器具有3mm×4mm的尺寸。LED的发光面具有100%的反射率，并且反射条件是光被镜面反射。偏振器关于TM波具有100%的透射率和0%的反射率。偏振器关于TE波具有0%的透射率和100%的反射率。已经在这些条件下进行了计算。
如在图5中所示，当如果在LED的发光面和偏振器之间的距离d为0则出射光量是100%时，则如果距离d是0.5mm，则出射光量降低大约45%。如果距离d是1.0mm，则出射光量降低大约60%。这是因为，光通过在LED和偏振器之间的间隙（该间隙对应于光源单元的侧表面）泄漏。增加在LED的发光面和偏振器之间的间隙的尺寸增加了通过光源单元的侧表面泄漏的光量，而减小了由光源单元发射的光量。
在图3所示光源单元中，四分之一波片102从诸如石英或者云母的晶体形成并且厚度为几百μm。当厚度为几百μm的四分之一波片102被设置在LED100和偏振器101之间时，在LED100的发光面和偏振器101之间的间隙的尺寸增加。结果，由光源单元发射的光量降低。
某些四分之一波片是由大约几百nm厚度的膜形成的。然而，这种膜仅仅提供低耐热性，并且因此如在图3中所示使用这种光源单元导致由于不利的热效应而难以提供准确的相差。
本发明的一个目的在于提供一种使得能够减小在发光面和偏振器之间的间隙的尺寸并且还允许增加出射光的强度的光源单元，以及一种具有该光源单元的投影显示设备。
为了实现以上目的，根据本发明的一种光源单元包括：
发光元件，其具有发光面；和
偏振器，其被与发光元件的发光面相对地设置，并且其中，透射轴的方向取决于在偏振器的平面中的位置而改变，
其中该偏振器包括凹进和凸出结构，在从发光面出射并且从发光元件侧行进到偏振器中的光中，该凹进和凸出结构透射其偏振方向平行于透射轴的光的部分，而反射和衍射其偏振方向与透射轴正交的光的部分。
根据本发明的一种投影显示设备包括：
上述光源单元；
显示元件，其空间地调制来自光源单元的光；和
投影光学系统，其投影由显示元件形成的图像光。
附图简要说明
图1是示出能够在一个方向上偏振来自LED的全部光线的光源单元的一般配置的透视图；
图2是示意图1所示光源单元的操作的示意图；
图3是示出能够在一个方向上偏振来自LED全部的光线的另一个光源单元的一般配置的透视图；
图4是示意图3所示光源单元的操作的示意图；
图5是示出在图1所示光源单元中，在出射光量和在LED的发光面和偏振器之间的距离之间的关系的特性图表；
图6是示出根据第一示例性实施例的光源单元的配置的透视图；
图7是图6所示光源单元的截面视图；
图8是示出在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的具体配置的示意图；
图9是示出在图6所示光源单元中的偏振器的凹进和凸出图案的示意图；
图10是示出在图6所示光源单元中的衍射光栅的凹进和凸出图案的示意图；
图11是示意具有图9所示同心圆状凹进和凸出图案的偏振器的操作的示意图；
图12是示意具有图9所示同心圆状凹进和凸出图案并且在其上形成包括图10所示放射状凹进和凸出图案的衍射光栅的偏振器的操作的示意图；
图13是示出在图6所示光源单元中的偏振器的一个部分中的反射和衍射TE偏振光的示意图；
图14是示出在图6所示光源单元中的整个偏振器中的衍射TE偏振光的示意图；
图15A是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
[图15B]图15B是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图15C是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图15D是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图15E是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图15F是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图15G是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图15H是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图16A是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的替代工序的工艺图；
图16B是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的替代工序的工艺图；
图16C是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的替代工序的工艺图；
图16D是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的替代工序的工艺图；
图16E是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的替代工序的工艺图；
图16F是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的替代工序的工艺图；
图16G是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的替代工序的工艺图；
图16H是示意用于生产在图6所示光源单元中的偏振器和衍射光栅的技术的替代工序的工艺图；
图17是示出根据第二示例性实施例的光源单元的配置的透视图；
图18是图17所示光源单元的截面视图；
图19A是示出在图17所示光源单元中的偏振器的透射轴方向的示意图；
图19B是示出在图17所示光源单元中的波片的光轴方向的示意图；
图19C是示出在图17所示光源单元中通过波片透射的光的偏振方向的示意图；
图20A是示意在图17所示光源单元中在波片的光轴、偏振器的透射轴和出射光的偏振方向之间的关系的图表；
图20B是在图17所示光源单元中的波片的透视图；
图21A是示出在图17所示光源单元中的偏振器的透射轴方向的示意图；
图21B是示出在图17所示光源单元中的波片4的光轴方向的示意图；
图21C是示出由图17所示光源单元发射的光的偏振方向的示意图；
图22是示出在根据第三示例性实施例的光源单元中使用的偏振器和衍射光栅的配置的透视图；
图23A是示出用于生产图22所示偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图23B是示出用于生产图22所示偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图23C是示出用于生产图22所示偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图23D是示出用于生产图22所示偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图23E是示出用于生产图22所示偏振器和衍射光栅的技术的工序的工艺图；
图24是在根据本发明的光源单元中的偏振器和衍射光栅的另一个配置的透视图；
图25是在根据本发明的光源单元中的偏振器和衍射光栅的又一个配置的透视图；
图26A是示出在根据本发明的光源单元中使用的偏振器的凹进和凸出图案的一个实例的示意图；
图26B是示出在根据本发明的光源单元中使用的偏振器的凹进和凸出图案的另一个实例的示意图；
图26C是示出在根据本发明的光源单元中使用的偏振器的凹进和凸出图案的又一个实例的示意图。
附图标记列表
1LED
2偏振器
3衍射光栅
具体实施方式
现在，将参考附图描述示例性实施例。
（第一示例性实施例）
图6是示出根据第一示例性实施例的光源单元的配置的透视图。图7是图6所示光源单元的截面视图。
如在图6和图7中所示，光源单元包括具有发光面1a的LED1和与发光面1a相对地设置的偏振器2。
LED1包括堆叠部，其中例如沉积n型层和p型层使得它们夹着活性层。堆叠部的n型层侧表面或者p型层侧表面对应于发光面1a。由活性层产生的光通过发光面1a发射。LED1可以是诸如半导体激光器的表面发射固态光源。
从偏振器2侧行进到LED1中的光被LED1的发光面1a或者在LED1内侧镜面反射。即使在镜面反射之后，也维持在镜面反射之前存在的光的偏振态。
偏振器2的、面对发光面1a的表面包括具有衍射光栅3的凹进和凸出结构。凹进和凸出结构用于取决于在偏振器的平面中的位置改变透射轴的方向。凹进和凸出结构透射入射光的具有平行于每一条透射轴的偏振方向的部分（TM偏振光），而反射和衍射入射光的具有与透射轴正交的偏振方向的部分（TE偏振光）。这里，透射轴的方向等于平行于透射光的偏振方向的方向。
通常，偏振器2具有能够通过材料、凹进和凸出的周期和膜厚度的组合控制的透射率和反射率。进而，改变凹进和凸出结构的周期方向允许在所期望的方向上形成透射轴。另外地，能够取决于在相同偏振器2的平面中的位置改变透射轴的方向。
当具有与透射轴正交的偏振方向的光被偏振器2反射时，衍射光栅3作用以衍射反射光。
图8是示出偏振器2和衍射光栅3的具体配置的示意图。图9是示出偏振器2的凹进和凸出图案的示意图。图10是示出衍射光栅3的凹进和凸出图案的示意图。
如在图8和图9中所示，偏振器2包括在基板2a的径向方向上周期性地在诸如石英的基板2a上形成的多个同心圆状凹进和凸出图案2b。偏振器2包括垂直于凹进和凸出图案2b（在TM方向上）的透射轴。即，偏振器2包括放射状透射轴。
由金属，即，选自铝、银和金中的一种金属或者包含这些金属之一的化合物形成偏振器2和衍射光栅3的凹进和凸出图案2b。如在图8和图10中所示，衍射光栅3的凹进和凸出图案在偏振器2的凹进和凸出图案2b上放射状地形成。衍射光栅3的凹进和凸出图案中的每一个与偏振器2的每一个凹进和凸出图案2b的切线正交。
在图10所示实例中，衍射光栅3包括四个同心圆状环形区域3a到3d。在环形区域3a到3d中的每一个中形成多个放射状凹进和凸出图案。凹进和凸出图案的数目被设定为使得在环形区域当中在凹进和凸出图案之间的周向间隔几乎相同。
偏振器2的凹进和凸出图案2b具有例如140nm的节距P1。偏振器2的凹进和凸出图案2b具有例如100nm的深度H1。
衍射光栅3的凹进和凸出图案具有由λ<P2<2λ给出的节距P2（λ表示LED1的发射波长）。例如，如果λ为530nm，则节距P2为600nm。衍射光栅3的凹进和凸出图案具有例如600nm的深度H2。
现在，将具体地描述根据该示例性实施例的光源单元的操作。
首先，将单独描述偏振器2（不具有衍射光栅3的光源单元）的操作。
图11是示意具有图9所示同心圆状凹进和凸出图案2b的偏振器2的操作的示意图。
如在图11中所示，偏振器2透射入射光（非偏振光）的作为TM偏振光并且具有平行于各个透射轴的偏振方向的部分，而反射入射光的作为TE偏振光并且具有与透射轴正交的偏振方向的部分。
偏振器2的透射轴放射状地形成。因此，透射通过整个偏振器2的TM偏振光是具有平行于各个透射轴的偏振方向的径向偏振光（radial polarized light）。在另一方面，被整个偏振器2反射的TE偏振光是具有与各个透射轴正交的偏振方向的切向偏振光。
将描述具有衍射光栅3的偏振器2的操作。
图12是示意具有图9所示同心圆状凹进和凸出图案2b并且在其上形成包括图10所示放射状凹进和凸出图案的衍射光栅3的偏振器2的操作的示意图。
如在图12中所示，在其上形成衍射光栅3的偏振器2的表面对应于入射面。在入射光中包括的TM偏振光穿过偏振器2和衍射光栅3。在入射光中包括的TE偏振光被入射面反射和衍射。
由入射面反射和衍射的TE偏振光（切向偏振光）是包括反射光和衍射光的漫射光。已经穿过偏振器2和衍射光栅3的TM偏振光（径向偏振光）是包括透射光和衍射光的漫射光。然而，可以取决于条件防止TM偏振光成为衍射光（透射光）。
图13示意性地示出在具有衍射光栅3的偏振器2的一个部分中的反射TM偏振光和衍射TM偏振光。图14示意性地示出在具有衍射光栅3的整个偏振器2中的衍射TE偏振光。在图14中，为了方便起见省略了衍射光栅3的凹进和凸出图案。
如在图13中所示，进入偏振器2的TE偏振光被反射和衍射，并且衍射光在衍射光栅3的凹进和凸出图案的周期方向上衍射。如在图14中所示，在作为整体的偏振器2中，反射TE偏振光被衍射光栅3在周向方向上衍射。即，衍射光栅3作用于漫射被偏振器2反射的TE偏振光（切向偏振光）。
根据该示例性实施例的光源单元能够利用参考图11到图14描述的偏振器2和衍射光栅3的效应增加出射光的强度。将描述光源单元作为整体的操作。
通过LED1的发光面1a出射的光（非偏振光）进入在其上形成衍射光栅3的偏振器2的入射面。
偏振器2的入射面透射在入射光中包括的TM偏振光，而反射和衍射在入射光中包括的TE偏振光。由偏振器2的入射面反射和衍射的TE偏振光（切向偏振光）是漫射光并且在LED1上入射。
通过TE偏振光（切向偏振光）由偏振器2的漫射产生的光被LED1的发光面1a或者在LED1内侧朝向偏振器2镜面反射。被LED1镜面反射的漫射光再次进入偏振器2的入射面。
如上所述，TE偏振光被偏振器2的入射面反射和衍射，反射和衍射的TE偏振光被漫射，并且漫射光被LED1的发光面1a镜面反射以再次进入偏振器2的入射面。在这个过程期间，被LED1的发光面1a镜面反射的漫射光的一部分（主要是衍射光）进入偏振器2的入射面的与TE偏振光被反射和衍射的区域不同的区域。
例如，通过被偏振器2的入射面的在第一方向上形成透射轴的区域A1反射和衍射的TE偏振光的漫射产生的光（被反射和衍射的TE偏振光具有与第一方向正交的偏振方向）部分地被LED1的发光面1a镜面反射以进入偏振器2的入射面的不同于区域A1的区域A2。如果区域A2是在与第一方向正交的第二方向上形成透射轴的区域，则来自区域A1的TE偏振光的偏振方向平行于区域A2的透射轴。因此，来自区域A1的TE偏振光的进入区域A2的部分作为TM偏振光穿过偏振器2。
根据该示例性实施例的光源单元具有在下面描述的第一特征和第二特征。
第一特征在于，偏振器2被配置为使得透射轴取决于在偏振器2的平面上的位置而改变。因此，被偏振器2反射的TE偏振光变成切向偏振光。
第二特征在于，衍射光栅3被设置在偏振器2的面对LED1的表面上。这允许被偏振器2反射的TE偏振光（切向偏振光）被漫射。
根据第一和第二特征，在TE偏振光在被反复地反射和衍射的同时在偏振器2的入射面和LED1的发光面1a之间传播的同时，TE偏振光的一部分（漫射光）作为TM偏振光穿过偏振器2。从TE偏振光到TM偏振光的偏振转换允许出射光的强度增加。
进而，在根据该示例性实施例的光源单元中，由金属，即，选自铝、银和金中的一种金属或者包含这些金属之一的化合物形成衍射光栅3。由这种金属形成的衍射光栅3提供高耐热性。因此，防止了设置在LED1的附近中的衍射光栅3的性能劣化。
另外，衍射光栅3通常为大约几百nm的厚度，但是厚度可以取决于LED1的发射波长，并且充分地比如在图3所示光源单元的情形中由诸如石英或者云母的晶体形成的四分之一波片102更薄。因此，与图3所示光源单元相比较，根据该示例性实施例的光源单元经受足够少量的光通过侧表面泄漏。
现在，将描述用于生产在根据该示例性实施例的光源单元中的偏振器2和衍射光栅3的方法。
图15A到图15H示出生产具有衍射光栅3的偏振器2的过程的工序。
首先，如在图15A中所示，抗蚀剂被施加到由石英等形成的基板10以形成抗蚀剂层11。然后，如在图15B中所示，利用光刻形成抗蚀剂图案12。
然后，如在图15C中所示，利用金属沉积在具有在其上形成的抗蚀剂图案12的基板10上形成铝层13。然后，如在图15D中所示，抗蚀剂图案12和在抗蚀剂图案12上的铝层被剥离以在基板10上形成用作偏振器2的凹进和凸出图案14。
然后，如在图15E中所示，抗蚀剂被施加到具有在其上形成的凹进和凸出图案14的基板10以形成抗蚀剂层15。然后，如在图15F中所示，利用光刻形成抗蚀剂图案16。
然后，如在图15G中所示，利用金属沉积在具有在其上形成的抗蚀剂图案16的基板10上形成铝层18。
最后，如在图15H中所示，抗蚀剂图案16和在抗蚀剂图案16上的铝层被剥离以在凹进和凸出图案14上形成用作衍射光栅3的凹进和凸出图案18。
图16A到图16H示出生产具有衍射光栅3的偏振器2的另一个过程的工序。
首先，如在图16A中所示，抗蚀剂被施加到由石英等形成的基板20以形成抗蚀剂层21。然后，如在图16B中所示，利用光刻形成抗蚀剂图案22。
然后，如在图16C中所示，利用金属沉积在具有在其上形成的抗蚀剂图案22的基板20上形成铝层23。然后，如在图16D中所示，抗蚀剂图案22和在抗蚀剂图案22上的铝层被剥离以在基板20上形成用作偏振器2的凹进和凸出图案24。
然后，如在图16E中所示，抗蚀剂被施加到具有在其上形成的凹进和凸出图案24的基板20以形成抗蚀剂层25。然后，如在图16F中所示，利用光刻形成抗蚀剂图案26。
然后，如在图16G中所示，利用金属沉积在具有在其上形成的抗蚀剂图案26的基板20上形成铝层28。这里，关于具有在其上形成的抗蚀剂图案26的基板20的表面倾斜地执行金属沉积。因此，除了在其中形成凹进和凸出图案24的区域，基板20的表面的全部区域被凹进和凸出图案24屏蔽并且不经受铝的沉积。
最后，如在图16H中所示，抗蚀剂图案26和在抗蚀剂图案26上的铝层被剥离以在凹进和凸出图案24上形成用作衍射光栅3的凹进和凸出图案28。
在根据该示例性实施例的光源单元中，衍射光栅3可以包括不同于放射状凹进和凸出图案的凹进和凸出图案。衍射光栅3可以包括任何图案，假如该图案允许被偏振器2反射的TE偏振光或者TM偏振光被衍射。
进而，偏振器2可以包括任何凹进和凸出图案，假如透射轴的方向取决于在偏振器2的平面中的位置改变并且假如凹进和凸出图案使得TE偏振光和TM偏振光能够被相互分离。
例如，可以由放射状凹进和凸出图案形成偏振器2，并且可以由同心圆状凹进和凸出图案形成衍射光栅3。在此情形中，通过偏振器2透射的TM偏振光变成切向偏振光。被偏振器2反射和衍射的TE偏振光变成径向偏振光。
（第二示例性实施例）
图17是示出根据第二示例性实施例的光源单元的配置的透视图。图18是图17所示光源单元的截面视图。
图17和图18所示光源单元包括波片4，其与偏振器2的、与偏振器2的LED1侧表面相反的表面相对地定位。在这方面第二示例性实施例不同于第一示例性实施例。在第二示例性实施例中的LED1、偏振器2和衍射光栅3与在第一示例性实施例中的LED1、偏振器2和衍射光栅3相同。
波片4在一定方向上偏振透射通过偏振器2的全部的光线，并且包括例如半λ片。
波片4的光轴的方向取决于在波片4的平面中的位置而改变。不同的光轴对应于偏振器2的相应透射轴。
图19A示意性地示出具有图9所示该多个同心圆状凹进和凸出图案的偏振器2的透射轴的方向。图19B示意性地示出波片4的光轴的方向。图19C示意性地示出透射通过波片4的光（出射光）的偏振方向。
如在图19A中所示，如果偏振器2的透射轴放射状地形成，则波片4的光轴也放射状地形成，并且该光轴如在图19B中所示对应于偏振器2的相应透射轴。
波片4的光轴的方向被相对于偏振器2的透射轴设定，从而允许所有的出射光线如在图19C中所示在一定方向上偏振。具体地，波片4的每一个光轴的方向被设定为满足以下表达式：θH=（θP+θ0）/2。这里，θH表示波片4的光轴的方向，θP表示偏振器3的透射轴的方向，并且θ0表示出射光的偏振方向。
具体地，如在图20A中所示，如果当在垂直于偏振器2的入射面的方向上看时，偏振器3的透射轴的方向、波片4的光轴的方向和出射光的偏振方向每一个在与出射光正交的X2Y2平面上投影，则θH表示在波片4的光轴和X2轴之间的角度，θP表示在偏振器2的透射轴和X2轴之间的角度，并且θ0表示在出射光的偏振方向和X2轴之间的角度。
对于具有图19A所示透射轴的偏振器2，透射通过偏振器2的TM偏振光变成径向偏振光。当径向偏振光透射通过具有图19B所示光轴的波片4时，偏振方向与在径向偏振光已经透射的区域中存在的光轴相关联地旋转。结果，出射光如在图19C中所示在一定方向上偏振。
偏振器2的透射轴可以被以除了放射状方式之外的任何方式布置。例如，如果偏振器2的凹进和凸出图案如在图10中所示是放射状的，则偏振器2的透射轴被同心圆状地形成。还在此情形中，波片4的光轴被设定为满足上述表达式。
图20B示出波片4的配置。波片4包括多层膜结构41和具有周期性地改变的折射率的凹进和凸出图案42。
能够通过改变凹进和凸出图案的周期方向控制波片4的光轴。因此，类似偏振器2的透射轴地，能够使用凹进和凸出图案在所期望的方向上形成光轴。
图21A示意性地示出具有图10所示放射状图案的偏振器2的透射轴的方向。图21B示意性地示出波片4的光轴的方向。图21C示意性地示出透射通过波片4的光（出射光）的偏振方向。
如果偏振器2的透射轴如在图21A中所示被同心圆状地形成，则波片4的光轴如在图21B中所示被放射状地形成。不同的光轴对应于偏振器2的相应透射轴。波片4的光轴的方向被设定为如在图21C中所示在一定方向上偏振所有的出射光线。
对于具有图21A所示透射轴的偏振器2，透射通过偏振器2的TM偏振光变成切向偏振光。当切向偏振光透射通过具有图21B所示光轴的波片4时，偏振方向与在切向偏振光已经透射的区域中存在的光轴相关联地旋转。结果，出射光如在图21C中所示在一定方向上偏振。
除了在第一示例性实施例中描述的有利的效果，根据第二示例性实施例的光源单元施加以下有利的效果。
根据第一示例性实施例，光源单元发射例如TM偏振光作为出射光。TM偏振光是径向偏振光或者切向偏振光并且不能在任何变化的情况下被用于照明液晶面板等。在根据第二示例性实施例的光源单元中，透射通过偏振器2的TM偏振光（径向偏振光或者切向偏振光）在穿过波片4时使得它的偏振方向旋转。因此，来自光源单元的所有的出射光线能够在一定方向上偏振。因此，根据第二示例性实施例的光源单元能够被用于照明液晶面板等。
（第三示例性实施例）
在根据第一和第二示例性实施例的上述光源单元中，由诸如铝的金属材料形成偏振器2和衍射光栅3的凹进和凸出结构。然而，可以通过使用光子晶体的技术形成凹进和凸出结构。
图22示出在根据第三示例性实施例的光源单元中使用的偏振器和衍射光栅的配置。
如在图22中所示，偏振器5包括具有周期性地改变的折射率的多层膜结构51和凹进和凸出图案52。在凹进和凸出图案52上形成由光子晶体形成的衍射光栅6。由放射状凹进和凸出图案形成衍射光栅6。
在根据第三示例性实施例的光源单元中，具有图22所示衍射光栅6的偏振器5与LED的发光面相对地定位。具体地，根据第三示例性实施例的光源单元对应于根据第一或者第二示例性实施例的光源单元，其中偏振器2和衍射光栅3分别地被偏振器5和衍射光栅6替代。偏振器的凹进和凸出图案的节距P1和深度H1和衍射光栅的凹进和凸出图案的节距P2和深度H2基本上与在第一和第二示例性实施例中描述的配置中的节距P1和深度H1与节距P2和深度H2相同。
还在根据第三示例性实施例的光源单元中，由光子晶体形成的凹进和凸出结构比由诸如石英或者云母的晶体形成的四分之一波片更薄，并且不存在耐热性问题，不像由膜形成的四分之一波片的情形。因此，第三示例性实施例施加类似于第一示例性实施例和第二示例性实施例的有利的效果。
在根据第三示例性实施例的光源单元中，偏振器5的凹进和凸出图案和衍射光栅6的凹进和凸出图案可以与在第一和第二示例性实施例中描述的凹进和凸出图案相同。
现在，将描述用于生产在根据第三示例性实施例的光源单元中的偏振器5和衍射光栅6的方法。
图23A到图23E示出生产具有衍射光栅6的偏振器5的过程的工序。
首先，如在图23A中所示，在由石英等形成的基板10的表面上形成所期望的凹进和凸出图案。在其上形成凹进和凸出图案的表面上，交替地沉积具有高折射率的透明的第一层和具有低折射率的透明的第二层以形成周期性结构31。
然后，如在图23B中所示，抗蚀剂被施加到周期性结构31上以形成抗蚀剂层32。然后，如在图23C中所示，利用光刻形成抗蚀剂图案33。抗蚀剂图案33被配置为形成衍射光栅6的凹进和凸出图案。
然后，如在图23D中所示，在其上形成抗蚀剂图案33的表面上，交替地沉积具有高折射率的透明的第一层和具有低折射率的透明的第二层以形成周期性结构34。
最后，如在图23E中所示，抗蚀剂图案33和在抗蚀剂图案33上的周期性结构34被剥离以获得图22所示偏振器5和衍射光栅6。
例如，在周期性结构31和34中，可以由五氧化二铌（Nb2O5）形成第一层，并且可以由二氧化硅（SiO2）形成第二层。
根据上述示例性实施例中的每一个的光源单元都是示意性的。在不偏离本发明的精神的情况下，可以对于根据上述示例性实施例中的每一个的光源单元的配置作出本领域技术人员能够理解的改变。
例如，在第一和第二示例性实施例中描述的偏振器2可以被构造为，使得如在图24中所示，凹进和凸出图案2b形成在基板2a的一个表面上，并且衍射光栅3的凹进和凸出图案形成在基板2a的另一个表面上。在此情形中，偏振器2被布置为使得具有在其上形成的衍射光栅3的表面位于与LED1的发光面1a相对。
进而，在第三示例性实施例中描述的偏振器5可以被构造为，使得在如在图25中所示交替地沉积具有高折射率的透明的第一层和具有低折射率的透明的第二层的周期性结构31上形成由如在第一和第二示例性实施例中描述的这种凹进和凸出图案形成的衍射光栅6。能够利用如在第一和第二示例性实施例中描述的、用于产生衍射光栅3的凹进和凸出图案的技术形成衍射光栅6的凹进和凸出图案。
而且，在图25所示配置中，周期性结构31可以在透明基板的一个表面上形成。衍射光栅6的凹进和凸出图案可以在透明基板的另一个表面上形成。
而且，可以从光子晶体形成衍射光栅6，并且可以由在第一和第二示例性实施例中描述的凹进和凸出图案形成偏振器5。在此情形中，例如，在第一和第二示例性实施例中描述的技术被用于形成偏振器5的凹进和凸出图案。在凹进和凸出图案上形成透明层。然后，在透明层上形成由光子晶体形成的衍射光栅6的凹进和凸出图案。
进而，在第一到第三示例性实施例中，偏振器可以包括透射轴的方向取决于在偏振器的平面中的位置改变的凹进和凸出图案。可应用各种类型的这种凹进和凸出图案中的任何一种。
图26A到图26C示出偏振器的凹进和凸出图案的一个实例。
在图26A所示实例中，偏振器包括以在图26A的左下部分中示出的偏振器的角部为中心放射状地形成的多个凹进和凸出图案。在这个偏振器中，当假设水平方向为0°并且假设竖直方向为90°时，透射轴的方向连续地在0°和90°之间改变。
在图26B所示实例中，偏振器包括以在图26B的左下部分中示出的偏振器的角部为中心同心圆状地形成的多个凹进和凸出图案。在这个偏振器中，如在图26A所示凹进和凸出图案的情形中，透射轴的方向也连续地在0°和90°之间改变。
在图26C所示实例中，偏振器包括以相等间隔在水平方向上形成凹进和凸出图案的第一区域，以相等间隔并且与水平方向以90°的角度形成凹进和凸出图案的第二区域，和以相等间隔在竖直方向上形成凹进和凸出图案的第三区域。第一到第三区域被以预定次序形成为矩阵。在这个偏振器中，透射轴的方向取决于在偏振器的平面中的位置改变。
根据上述本发明的光源单元，被凹进和凸出结构反射和衍射的光被漫射。因为偏振器的透射轴取决于在偏振器的平面中的位置改变，所以漫射光具有对应于相应透射轴的方向的多个不同的偏振方向。因此，在被凹进和凸出结构反射和衍射的漫射光在被反复地反射和衍射的同时在发光元件的发光面和偏振器之间传播的同时，漫射光的一部分穿过偏振器。与其中只是在LED的发光面上方布置偏振器的配置相比较，本发明的光源单元因此能够增加来自光源单元的出射光的强度。
进而，偏振器的凹进和凸出结构充分地比由诸如石英或者云母的晶体形成的四分之一波片更薄。因此，与具有四分之一波片的光源单元相比较（见图3），本发明的光源单元在发光元件的发光面和偏振器之间能够具有减小的距离。这使得能够减小通过光源单元的侧表面泄漏的光量，因此允许出射光的强度增加。
另外地，能够由光子晶体或者由金属制成的凹进和凸出图案形成凹进和凸出结构。金属和光子晶体的高耐热性使得凹进和凸出结构不存在与从膜形成的四分之一波片相关联的这种耐热性问题。因此，防止了凹进和凸出结构关于反射和衍射的性能由于来自发光元件的热量而不利地劣化。
除了液晶投影仪，本发明的光源单元可应用于使用偏振光的通常的设备。
本发明被应用的投影仪的基本部分包括：以上在第一到第三示例性实施例中描述的光源单元中的任何一个；空间地调制来自光源单元的光的显示元件；和投影由显示元件形成的图像光的投影光学系统。如果光源单元包括波片，则显示元件可以是液晶面板。进而，如果光源单元不包括任何波片，则显示元件可以是具有设置在入射面处的波片的液晶面板。
以上已经参考示例性实施例描述了本发明。然而，本发明不限于上述示例性实施例。在不偏离本发明的精神的情况下，可以对于本发明的配置和操作作出本领域技术人员能够理解的各种改变。
本申请要求基于在2010年11月18日提交的日本专利申请No.2010-257997的优先权，并且在这里结合其全部公开内容。

Claims (12)

1.一种光源单元，包括：
发光元件，所述发光元件具有发光面；和
偏振器，所述偏振器被与所述发光元件的所述发光面相对地设置，并且在所述偏振器中，透射轴的方向取决于在所述偏振器的平面中的位置而改变，
其中所述偏振器包括凹进和凸出结构，在从所述发光面出射并且从所述发光元件行进到所述偏振器中的光中，所述凹进和凸出结构透射偏振方向平行于所述透射轴的光的部分，而反射和衍射偏振方向与所述透射轴正交的光的部分。
2.根据权利要求1所述的光源单元，其中所述凹进和凸出结构包括：
第一层，所述第一层包括多个第一周期性凹进和凸出图案，并且在所述第一层中在所述第一凹进和凸出图案的周期方向上形成所述透射轴；和
第二层，所述第二层包括多个第二周期性凹进和凸出图案，所述多个第二周期性凹进和凸出图案反射和衍射入射光的至少偏振方向与所述透射轴正交的部分，
其中，所述偏振器的、所述第二层形成在其上的表面被与所述发光元件的所述发光面相对地设置。
3.根据权利要求2所述的光源单元，其中所述第二层形成在所述第一层上。
4.根据权利要求2所述的光源单元，其中所述第一层形成在基板的一个表面上，并且所述第二层形成在所述基板的另一个表面上。
5.根据权利要求2到4中的任何一项所述的光源单元，其中所述多个第一层的透射轴以所述偏振器的光轴为中心放射状地设置，并且
所述多个第二凹进和凸出图案在以所述光轴为中心的同心圆的切向方向上周期性地形成。
6.根据权利要求2到4中的任何一项所述的光源单元，其中所述多个第一层的透射轴以所述偏振器的光轴为中心同心圆状地设置，并且
所述多个第二凹进和凸出图案以所述光轴为中心在径向方向上周期性地形成。
7.根据权利要求2所述的光源单元，其中所述偏振器包括多个区域，在所述区域之间，所述透射轴的方向改变，并且所述第一和第二层在所述区域中的每一个中形成。
8.根据权利要求2到6中的任何一项所述的光源单元，其中所述多个第一凹进和凸出图案由金属形成。
9.根据权利要求2所述的光源单元，其中所述第一层包括周期性结构，在所述周期性结构中交替地沉积具有不同折射率的至少两个层。
10.根据权利要求1到9中的任何一项所述的光源单元，进一步包括波片，所述波片与所述偏振器的、与所述偏振器的所述发光元件侧相反的表面相对地定位，所述波片包括具有取决于在所述波片的平面中的位置而改变的方向的光轴，
其中所述波片的光轴对应于所述偏振器的透射轴，并且被形成为使得经由所述波片由所述偏振器发射的出射光在一定方向上偏振。
11.根据权利要求10所述的光源单元，其中，如果当在与所述偏振器的所述发光元件侧的表面垂直的方向上看时，所述偏振器的透射轴的方向、所述波片的光轴的方向和所述出射光的偏振方向每一个均在与所述出射光正交的平面上投影，则当θH、θP和θ0分别地表示在所述波片的光轴和在所述平面的平面内方向中的特定方向之间的角度、在所述偏振器的透射轴和所述特定方向之间的角度、以及在所述出射光的偏振方向和所述特定方向之间的角度时，所述θH满足θH=（θP+θ0）/2。
12.一种投影显示设备，包括：
根据权利要求1到11中的任何一项所述的光源单元；
显示元件，所述显示元件空间地调制来自所述光源单元的光；和
投影光学系统，所述投影光学系统投影由所述显示元件形成的图像光。
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