JP4661038B2 - 光源装置、光源装置の製造方法、投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置、光源装置の製造方法、投射型表示装置に関し、特に半導体発光素子等の固体光源を備えた光源装置に関する。

光源装置から出射された光を液晶ライトバルブ等の光変調手段に入射させ、光変調手段にて変調された映像光を投射レンズ等によりスクリーンに拡大投射させて表示を行うプロジェクタ等の投射型表示装置が広く知られている。この投射型表示装置の光源装置に使用される光源として、ＬＥＤ光源等の固体光源が採用されている。このようなＬＥＤ光源は偏光方向がランダムであるため、液晶ライトバルブ等の液晶装置の光源として用いる場合、半分が偏光板により吸収されてしまうという問題があった。

これを解決する手段として、フィルム状の反射型偏光部材を偏光変換素子として用い、光利用効率を向上させる技術が例えば特許文献１に開示されている。
特開２０００−２２１４９９号公報

上記特許文献では、フィルム状の反射型偏光部材を用いて光利用効率を向上させているが、このフィルム状部材を光源装置に組み込ませた場合、発光に伴う発熱により該フィルム状部材が劣化ないし変性してしまう惧れがある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、発光素子からの光を所定の偏光に高効率で変換可能で、発光に伴う発熱が生じた場合にも十分な耐久性を有する構成を備えた光源装置を提供することを目的としている。また、本発明は、このような光源装置を高効率で製造可能な方法と、該光源装置を具備した信頼性の高い投射型表示装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の光源装置は、発光素子と、該発光素子の光出射側に、ストライプ状の金属膜又は誘電体多層膜にて構成された反射型偏光板と、を具備してなることを特徴とする。このような光源装置によると、所定の偏光を照射することが可能となるため、例えば液晶ライトバルブ等の液晶装置の光源（照明装置）として用いると、光の利用効率を高めることが可能となる。そして、特に光源装置に反射型偏光板を設けた構成であるため、光源装置と液晶装置との間に独立して設けた場合、若しくは液晶装置に偏光板を設けた場合に比して、光源装置から漏れる光を少なくすることも可能となる。さらに、本発明では従来のようなフィルム状の反射型偏光部材ではなく、金属膜又は誘電体多層膜からなるものを用いているため、発光素子において発光に伴う発熱が生じた場合にも当該反射型偏光板が熱により劣化したり特性変化したりする惧れも殆どないものとなる。

前記発光素子は所定の基板上に形成され、前記金属膜又は誘電体多層膜は、前記基板の前記発光素子とは反対側に形成されてなり、該基板の面内方向に光の波長よりも短い周期でストライプ状に配列されてなるものとすることができる。この場合、発光素子に対して基板裏面に反射型偏光板を形成するものとしているため、基板上の発光素子が剥き出しの状態となり、発光素子の電極取出しを容易化することが可能となる。また、発光素子が形成された基板の反対側に上記反射型偏光板を設けた構成であるため、上述した通り、光源装置から漏れる光を少なくすることが可能となる。

前記反射型偏光板において、前記金属膜又は誘電体多層膜には透光性の保護膜が配設されてなるものとすることができる。これによりストライプ状の金属膜又は誘電体多層膜を保護すること可能となり、また表面の平坦化を図ることも可能となるとともに、保護膜の選択によって金属膜等との屈折率差を適宜設計することが可能となる。

前記反射型偏光板の前記発光素子側には反射膜が形成されてなるものとすることができる。この場合、反射型偏光板にて反射された偏光が、反射膜にて反射されることとなる。したがって、例えば吸収型の偏光板を用いた場合に比して光利用効率が一層高いものとなる。つまり、反射型偏光板にて反射された他方の偏光は、反射膜にて反射して再び反射型偏光板に戻るわけであるが、その反射の際に偏光方向が若干変化するため、反射の繰り返しにより偏光軸が透過可能な方向に変化し、所定の透過軸方向の偏光として当該光源装置から射出されることとなる。なお、この場合の反射膜は、アルミニウム等の金属反射部材にて構成することができ、膜状の他、板状の反射板をも包含するものである。

前記反射型偏光板と前記反射膜との間にはλ／４位相差板が形成されてなるものとすることができる。この場合、所定の偏光軸を有する偏光を一層高効率で、当該光源装置から取り出すことが可能となる。すなわち、反射型偏光板で反射された偏光（偏光Ａとする）は、λ／４位相差板により円偏光（円偏光Ｂとする）となり、該円偏光Ｂは反射膜にて反射されると偏光方向の反転を伴う。したがって、反射膜にて反射されると、円偏光Ｂとは逆向きの回転の円偏光（円偏光Ｃとする）となり、その円偏光Ｃが再びλ／４位相差板を透過すると、上記偏光Ａとは偏光軸が９０°異なる偏光Ｄが反射型偏光板に入射することとなり、この偏光Ｄは反射型偏光板を透過可能であるため、光利用効率が一層高まることとなるのである。

前記反射型偏光板において、前記金属膜又は誘電体多層膜の発光素子と対向する面には凹凸形状が付与されてなるものとすることができる。この場合、該反射型偏光板にて反射された光が散乱することとなるため、再び反射型偏光板に戻ってくる際には、該反射型偏光板の透過軸方向の偏光軸をもった偏光となり易く、したがって光利用効率の向上を図ることが可能となる。

前記反射型偏光板が前記金属膜にて形成されてなり、該金属膜が発光素子に対して電界を付与するための電極として構成されてなるものとすることができる。この場合、発光素子に対して電界を付与するための電極を別途設ける必要もなく、当該光源装置の構成が非常に簡便なものとなる。

前記反射型偏光板が前記誘電体多層膜にて形成されてなり、該誘電体多層膜が相対的に高屈折率の材料層と低屈折率の材料層とが交互に積層された積層体を具備してなり、該積層体が平面的にストライプ状に配列されてなるものとすることができる。なお、高屈折率の材料層としては酸化チタンを主体とするもの、低屈折率の材料層としては酸化ケイ素を主体とするものを採用することができる。

次に、本発明の光源装置の製造方法は、基材上に金属膜又は誘電体多層膜をストライプ状に形成する工程と、前記基材の前記金属膜又は誘電体多層膜が形成された側と反対側に発光素子を形成する工程と、を含むことを特徴とする。この場合、基材に対して発光素子を形成する前に、反射型偏光板を構成する金属膜又は誘電体多層膜を基材に形成するものとしているため、製造プレセス中の発光素子へのダメージを低減することが可能となる。

例えば、前記基材上に金属膜又は誘電体多層膜を形成する工程において、二光束干渉露光法により該金属膜又は誘電体多層膜を光の波長よりも短い周期でストライプ状に形成するものとする場合、先に基材上に発光素子を形成すれば露光時に発光素子に対してダメージを与える惧れがあるが、本発明ではそのような不具合を回避することが可能となる。

次に、本発明の投射型表示装置は、上述の光源装置を具備したことを特徴とする。具体的には、上記光源装置と、該光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを具備してなるものとすることができる。このような投射型表示装置は、光利用効率の優れた光源装置を具備してなり、特に光変調装置として偏光を利用する液晶ライトバルブ（空間光変調素子）等を採用した場合には、光利用効率が非常に高いものとなる。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。

図１は本発明の一実施形態としての光源装置について、その概略構成を示す断面模式図である。光源装置１０は、フリップチップ型のＧａＩｎＮ系ＬＥＤ光源から構成され、その構成主体は、絶縁性のサファイア基板１１と、その基板面の一方に形成された発光素子１６と、基板面の他方側に形成された反射型偏光板１２とを含んでなる。

発光素子１６は、サファイア基板１１上（図１では下側）にＧａＮ系の半導体膜をエピタキシャル成長させて形成した半導体層を含み、該半導体層はサファイア基板１１側からｎ−ＧａＮ層５及びｐ−ＧａＮ層６にて構成されている。そして、本実施形態では、ｎ−ＧａＮ層５上に該ｎ−ＧａＮ層５よりも面積の小さいｐ−ＧａＮ層６が形成されて、ｎｐ双方の結晶成長面にｎ側電極４及びｐ側電極７が形成されている。

ｎ側電極４及びｐ側電極７上（図１では下側）には、ｎ側ハンダ層３及びｐ側ハンダ層８を介してｎ側端子電極２及びｐ側端子電極９が形成されている。なお、この端子電極２，９は対向基材１上に形成されており、ｎ側電極４，端子電極２，端子電極９は透明電極又は反射性金属導電膜にて構成されており、特にｐ側電極７が光反射性の金属導電膜たるアルミニウムにて構成されているため反射膜として機能し、ｎ−ＧａＮ層５とｐ−ＧａＮ層６の間で発光される光を反射することが可能となり、その光利用効率を高めている。

一方、反射型偏光板１２は、サファイア基板１１の発光素子１６が形成された側とは反対側の面に形成され、いわゆるグリッド偏光子にて構成されている。図２は、反射型偏光板１２の概略構成を示す斜視図、図３は反射型偏光板１２の概略構成を示す平面図である。このように反射方偏光板１２は、サファイア基板１１上にストライプ状の金属膜１４が配列されてなり、その配列周期は、光の波長よりも短いものとされている。そして、このようなストライプ状金属膜１４の上には、絶縁性のガラスないしアクリル樹脂等からなる保護膜１３が形成され、当該反射型偏光板１２の表面が平坦化されている。ここで、金属膜１４は金属反射膜たるアルミニウムにて構成され、高さが１００ｎｍ、ピッチＰが１５０ｎｍ（図３参照）程度とされており、入射される光の波長よりも小さい値のピッチＰにて形成されている。

このような反射型偏光板１２は、入射した光のうち、所定方向の偏光軸を有する偏光のみを透過し、それと９０°交差する方向の偏光軸を有する偏光を反射する特性を有している。具体的には、図６に示すように、金属膜１４の屈折率ｎ_Ａと、各金属膜１４の間に介在する絶縁層（保護膜）１３の屈折率ｎ_Ｂとが異なるため、反射型偏光板１２に入射した光の偏光方向により、偏光選択が行なわれる。つまり、金属膜１４の延在方向と垂直な方向に偏光軸を有する直線偏光Ｘを透過させ、金属膜１４の延在方向と平行な方向に偏光軸を有する直線偏光Ｙを反射する。したがって、本実施形態の反射型偏光板１２は、光軸（透過軸）と平行な偏光を透過させ、垂直な偏光に対しては反射させる作用を有しているのである。

このような光源装置１０によると、反射型偏光板１２から取り出された所定の偏光を照射することが可能となるため、例えば液晶ライトバルブ等の液晶装置の光源（照明装置）として用いると、光の利用効率を高めることが可能となる。そして、特に光源装置１０に反射型偏光板１２を組み込ませた構成であるため、光源装置と液晶装置との間に反射型偏光板を独立して設けた場合、若しくは液晶装置に偏光板を設けた場合に比して、光源装置から漏れる光を少なくすることも可能となる。さらに、本実施形態では金属膜又は誘電体多層膜からなるものを反射型偏光板として用いているため、発光素子１６において発光に伴う発熱が生じた場合にも当該反射型偏光板１２が熱により劣化したり特性変化したりする惧れも殆どないものとなる。

また、本実施形態では、発光素子１６に対してサファイア基板１１の反対側に反射型偏光板１２を形成するものとしているため、サファイア基板１１上の発光素子１６が剥き出しの状態となり、発光素子１６の電極取出しを容易化することが可能となる。

さらに、反射型偏光板１２の発光素子１６側（つまり反射型偏光板１２の反射面側）には光反射機能を有したｐ側電極７（及びｎ側電極４、ｎ側端子電極２、ｐ側端子電極９を金属反射膜で形成した場合にはこれらも含む）が形成されているため、反射型偏光板１２にて反射された偏光が、該電極（反射膜）にて反射されることとなる。したがって、反射型偏光板１２にて反射された他方の偏光が、電極（反射膜）にて反射して再び反射型偏光板１２に戻るわけであるが、その反射の際に偏光方向が若干変化するため、反射の繰り返しにより偏光軸が透過可能な方向に変化し、所定の透過軸方向の偏光として当該反射型偏光板１２を透過することとなる。

なお、本実施形態では、各電極２，４，７，９を反射膜として併用するものとしているが、対向基材１の裏面側（電極２，９が形成された面と反対側）等に独立して反射層を形成することも可能である。

また、図４に示すように、反射型偏光板１２の発光素子１６と対向する面に凹凸１７を付与してもよい。このような凹凸形状を付与することにより、反射型偏光板１２にて反射された光が散乱することとなるため、再び反射型偏光板１２に戻ってくる際には、該反射型偏光板１２の透過軸方向の偏光軸をもった偏光となり易く、一層の光利用効率の向上を図ることが可能となる。

次に、光源装置１０の製造方法について説明する。図５は、光源装置１０の一製造工程、つまりサファイア基板１１上に反射型偏光板１２と、発光素子１６を構成するｎ−ＧａＮ層５及びｐ−ＧａＮ層６とを形成する工程を示す断面模式図である。

図５に示すように、まずサファイア基板１１上にアルミニウムからなる金属薄膜１００を形成し（図５（ａ）参照）、レジスト膜１０１を塗布する（図５（ｂ）参照）。そして、レーザー光を用いた二光束干渉露光法や電子線露光、若しくは、レーザー光の走査による露光（図５（ｃ）参照）後、現像によりストライプ状のパターンを形成する（図５（ｄ）参照）。

そして、残ったレジスト膜１０１をマスクにして金属膜１００をエッチングし、レジスト膜１０１を剥離する（図５（ｅ）参照）。これにより、サファイア基板１１上に、アルミニウム等からなるストライプ状の金属膜１４が形成される（図５（ｅ）参照）。その後、金属膜１４を含むサファイア基板１１上に、スピンコート等により透明な絶縁層１３を形成する（図５（ｆ）参照）。

以上の工程により本実施形態で用いた反射型偏光板１２が形成される。このような反射型偏光板１２は、従来からのフォトリソグラフィ法により簡便に得ることができる。なお、上記露光工程においては、レーザ光を用いて２光束干渉露光を行ったが、電子線露光若しくはレーザー光の走査による露光によっても、隣接するストライプのピッチが光の波長よりも小さい微細パターンを形成することが可能である。

そして、このように反射型偏光板１２を形成したサファイア基板１１の反対側（裏面側）に、発光素子１６（図１参照）を公知の方法により形成して光源装置１０を得る。具体的には、サファイア基板１１上にエピタキシャル成長によりｎ−ＧａＮ層５、ｐ−ＧａＮ層６を形成し（図５（ｇ）参照）、その後、電極及びハンダ層を形成して、フリップチップ実装し、樹脂で封止することにより光源装置１０を得ることができる。

次に、光源装置の異なる実施の形態について説明する。
図７は、図１の光源装置１０の変形例としての光源装置１０ａについて、その概略構成を示す断面模式図である。図７に示した光源装置１０ａにおいては、反射型偏光板１２とサファイア基板１１との間（すなわち発光素子１６側）にλ／４位相差板１５が形成されている点以外は、図１の光源装置１０と同様の構成を有しているため、図１と同じ符号を付した構成部材（要素）については、特に説明のない限り、図１の光源装置１０と同様の構成（要素）を有しているものとして説明を省略する。

光源装置１０ａでは、上述の通り、反射型偏光板１２とサファイア基板１１との間にλ／４位相差板１５が形成されている。また、発光素子１６の反射型偏光板１２とは反対側、ここでは対向基材１の発光素子１６が形成された側と反対側にアルミニウムからなる金属反射膜１８が形成されている。このように反射型偏光板１２とサファイア基板１１との間にλ／４位相差板１５を形成することで、所定の偏光軸を有する偏光を一層高効率で、当該光源装置１０ａから取り出すことが可能となる。

すなわち、反射型偏光板１２で反射された偏光Ａは、λ／４位相差板１５により円偏光Ｂとなり、該円偏光Ｂは反射膜１８（図７ではアルミニウムで構成されたｐ側電極７、ｎ側電極４等を含む）にて反射されると偏光方向の反転を伴う。したがって、反射膜１８にて反射されると、円偏光Ｂとは逆向きの回転の円偏光Ｃとなり、その円偏光Ｃが再びλ／４位相差板を透過すると、上記偏光Ａとは偏光軸が９０°異なる偏光Ｄが反射型偏光板１２に入射することとなり、この偏光Ｄは反射型偏光板１２を透過可能であるため、光利用効率が一層高まることとなるのである。

なお、このようなλ／４位相差板１５を設けた場合には、図４に示したような金属膜１４の裏面に凹凸１７を形成しないのが望ましい。金属膜１４の裏面に凹凸１７を形成し、更にλ／４位相差板１５を設けると、円偏光の偏光方向がランダムになってしまい、反射型偏光板１２を透過可能な偏光を得ることができなくなる惧れがあるためである。

次に、図８は、図１の光源装置１０に適用した反射型偏光板１２の変形例について、その概略構成を示す断面模式図である。図８に示した反射型偏光板１２ａは、複数の誘電体膜２０，３０にて形成された誘電体多層膜１４ａが平面的にストライプ状に配列された構成を具備している。

誘電体膜２０は、相対的に高屈折率の材料層として構成され、例えばＴｉＯ_２を用いることができ、厚さ約５５ｎｍ程度にて構成されている。一方、誘電体膜３０は、相対的に低屈折率の材料層として構成され、例えばＳｉＯ_２を用いることができ、厚さ約９４ｎｍ程度にて構成されている。そして、これら誘電体膜２０，３０が、それぞれ交互に積層された積層体（本実施形態では５層よりなる）により誘電体多層膜１４ａが構成されている。

このように、屈折率の異なる積層体からなる誘電体多層膜１４ａがストライプ状に形成された場合、光の伝搬特性に異方性を有しており、図８の下面側から光が入射した場合、誘電体多層膜１４ａの延在方向に平行な直線偏光は反射され、誘電体多層膜１４ａの延在方向に垂直な直線偏光は透過するようになっている。したがって、このような誘電体多層膜１４ａによっても、本発明に係る光源装置を構成することが可能であり、例えば図１の光源装置１０及び図７の光源装置１０ａの反射型偏光板１２に代えて、図８の反射型偏光板１２ａを用いた場合にも、本発明の課題を好適に解決することができる。

以上、本発明の光源装置の実施の形態を示したが、反射型偏光板１２をストライプ状の金属膜１４にて構成する場合、該金属膜１４を、発光素子を構成するｎ−ＧａＮ層及び／又はｐ−ＧａＮ層に対して電界を付与するための電極として用いることも可能である。この場合、サファイア基板１１にコンタクトホールを形成したり、或いはｎ−ＧａＮ層及び／又はｐ−ＧａＮ層上に反射型偏光板１２を直接形成するものとすることができる。

（投射型表示装置）
図９は本発明の一実施形態としての投射型表示装置について、その概略構成を示す拡大図であって、この図９に示した投射型表示装置７０は３板方式の例である。投射型液晶表示装置７０においては、赤色（Ｒ）の色光を発光し得る光源装置１０ｒを２次元的にアレイ状に構成したＬＥＤアレイ光源１００ｒ、緑色（Ｇ）の色光を発光し得る光源装置１０ｇを、２次元的にアレイ状に構成したＬＥＤアレイ光源１００ｇ、青色（Ｂ）の色光を発光し得る光源装置１０ｂを２次元的にアレイ状に構成したＬＥＤアレイ光源１００ｂの３個を別途光源として用いている。なお、各光源装置１０ｒ，１０ｇ，１０ｂとして、それぞれ上述した本実施形態の光源装置１０若しくは光源装置１０ａを採用している。

各ＬＥＤアレイ光源１００ｒ，１００ｇ，１００ｂから射出された光は、レンズアレイ６０により集光され液晶ライトバルブ７５に照射される。つまり、レンズアレイ６０の出射側には、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色光を変調する液晶ライトバルブ７５がそれぞれ設けられている。そして、各液晶ライトバルブ７５によって変調された３つの色光が、クロスダイクロイックプリズム（色合成手段）７７に入射するように構成されている。このプリズム７７は４つの直角プリズムが貼り合わされたものであり、内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光Ｌｒ、Ｌｇ、Ｌｂが合成されてカラー画像を表す光が形成される。色合成された光は投射レンズ７６によりスクリーン７９上に投射され、拡大された画像が表示される。

このような投射型表示装置７０においては、ＬＥＤアレイ光源１００ｒ，１００ｇ，１００ｂについて、上記実施形態の光源装置１０,１０ａを採用してなるため、発光効率が高く、また液晶ライトバルブ７５に好適な偏光を入射させることが可能となり、該液晶ライトバルブ７５に偏光板を形成する必要もなくなる。

本発明の光源装置の一実施形態について概略構成を示す断面模式図。 図１の光源装置に適用した反射型偏光板の構成を示す斜視図。 図１の光源装置に適用した反射型偏光板の構成を示す平面図。 図１の光源装置に適用可能な反射型偏光板の一変形例を示す断面模式図。 図１の光源装置の一製造工程例を示す説明図。 図１の光源装置に適用した反射型偏光板の作用を示す説明図。 本発明の光源装置の一変形例について概略構成を示す断面模式図。 図１の光源装置に適用可能な反射型偏光板の一変形例を示す断面模式図。 本発明の投射型表示装置の一実施形態について概略構成を示す説明図。

符号の説明

１０…光源装置、１１…サファイア基板（基材）、１２…反射型偏光板、１３…保護膜、１４…金属膜、１４ａ…誘電体多層膜、１６…発光素子

Claims (8)

1. 投射型表示装置に用いられる光源装置であって、
   基板と、該基板の一方の面に形成された、ｎ−ＧａＮ層と、該ｎ−ＧａＮ層の上面に形成されたｎ側電極と、前記ｎ−ＧａＮ層の上面に形成されたｐ−ＧａＮ層と、該ｐ−ＧａＮ層の上面に形成されたｐ側電極と、を含むＬＥＤ素子と、
   該ＬＥＤ素子の光出射側に、ストライプ状の金属膜にて形成された反射型偏光板と、を具備し、
   前記金属膜は前記ＬＥＤ素子に対して電界を付与するための電極として構成されてなり、
   前記反射型偏光板は前記基板の前記ＬＥＤ素子が形成された側とは反対側の他方の面に形成されてなることを特徴とする光源装置。
2. 前記反射型偏光板において、前記金属膜には透光性の保護膜が配設されてなることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記反射型偏光板の前記ＬＥＤ素子側に反射膜が形成されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記反射型偏光板と前記反射膜との間にはλ／４位相差板が形成されてなることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記反射型偏光板において、前記金属膜の前記ＬＥＤ素子と対向する面には凹凸形状が付与されてなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 基板と、ＬＥＤ素子と、反射型偏光板と、を具備する、投射型表示装置に用いられる光源装置の製造方法であって、
   前記基板の一方の面に、前記ＬＥＤ素子に対して電界を付与するための電極として構成されてなる金属膜をストライプ状に形成することにより前記反射型偏光板を形成する工程と、
   前記基板の前記金属膜が形成された側と反対側の他方の面に、ｎ−ＧａＮ層を形成し、該ｎ−ＧａＮ層の上面にｎ側電極を形成し、前記ｎ−ＧａＮ層の上面にｐ−ＧａＮ層を形成し、該ｐ−ＧａＮ層の上面にｐ側電極を形成することにより、前記ＬＥＤ素子を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする光源装置の製造方法。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源装置を具備したことを特徴とする投射型表示装置。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源装置と、該光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを具備したことを特徴とする投射型表示装置。

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