WO2011048951A1 - 発光素子および該発光素子を用いた画像表示装置 - Google Patents

発光素子および該発光素子を用いた画像表示装置 Download PDF

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片山　龍一
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日本電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting element that emits light having a uniform polarization state and an image display apparatus using the light emitting element.
  • An image display device using a light emitting diode (LED) as a light emitting element has been proposed.
  • a plurality of LEDs that emit red (R), green (G), and blue (B) colors, an illumination optical system that receives light from the plurality of LEDs, and an illumination optical system are used.
  • a light valve having a liquid crystal display panel on which the light of the light enters, a color synthesis prism that synthesizes the light from the light valve, and a projection optical system for projecting the light from the color synthesis prism onto the projection surface It is configured.
  • the liquid crystal display panel and the color synthesis prism have polarization dependency, and the light emitting element emits light having a uniform polarization state in order to increase the efficiency of the optical system. It is desirable.
  • Non-Patent Document 1 there is a restriction due to Etendue determined by the product of the area of the light emitting element and the radiation angle.
  • the product of the light emitting area and the emission angle of the light emitting element is less than or equal to the product of the area of the incident surface of the light valve and the capture angle (solid angle) determined by the F number of the illumination optical system, Light from the light emitting element is not used as projection light.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-111012 discloses a semiconductor light-emitting device that defines the plane orientation of the main growth surface for the purpose of emitting light with a large polarization ratio.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-109689
  • a light-emitting unit that supplies light and a structure provided on the light-emission side of the light-emitting unit, the structure transmits polarized light in the first vibration direction and is substantially in the first vibration direction.
  • Reflective polarizing plate that reflects polarized light in the second vibration direction orthogonal to each other, and transmits light from the reflective polarizing plate so that the refractive index periodically changes in a two-dimensional direction substantially parallel to the reference plane.
  • a light emitting element having an optical part formed is disclosed.
  • the polarization direction of the light emitted using the reflective polarizing plate is aligned, but the light reflected by the reflective polarizing plate emits light more than the reflective polarizing plate. Because the reflection part or phase plate provided on the part side changes the direction of vibration and re-enters the reflection type polarizing plate, the efficiency of polarization conversion is poor when considering the attenuation during reflection, etc. There is a problem that it is difficult.
  • the present invention has been made in view of the problems of the conventional techniques as described above, and is a light emission that emits light with a uniform polarization state that is easy to manufacture, efficient, and capable of increasing brightness.
  • the object is to realize an element.
  • the light emitting device of the present invention is a light emitting device comprising an active layer for generating light, Of the light generated in the active layer, the first region that transmits the polarized light in the first direction and the other light is reflected, and the polarized light in the second direction orthogonal to the first direction is transmitted, A second region that otherwise reflects, and a polarizer layer comprising: A wavelength plate layer including a third region and a fourth region that are incident on the light emitted from the first region and the second region and are emitted as light having the same polarization state; And a reflective layer that reflects light reflected by the first region and the second region.
  • the image display device of the present invention uses the light emitting element having the above configuration.
  • the polarizer layer emits polarized light in the first direction and polarized light in the second direction orthogonal to the first direction. These polarized lights are then emitted as light of the same polarization state at the wave plate layer without being reflected, so that the efficiency is high and the luminance can be increased.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the structure of one Embodiment of the light emitting element by this invention. It is a perspective view which shows one structural example of the polarizer layer 108 in FIG. It is a perspective view which shows the other structural example of the polarizer layer 108 in FIG. It is a perspective view which shows one structural example of the 1/2 wavelength plate layer 109 in FIG. It is a perspective view which shows the other structural example of the 1/2 wavelength plate layer 109 in FIG. It is a perspective view which shows the other structural example of the polarizer layer 108 in FIG. It is a perspective view which shows the other structural example of the polarizer layer 108 in FIG. It is a perspective view which shows the other structural example of the 1/2 wavelength plate layer 109 in FIG.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows the other structural example of the 1/2 wavelength plate layer 109 in FIG. It is a figure for demonstrating the period of the 1st area
  • FIG. 18 is a diagram showing a configuration of another embodiment of a light emitting device according to the present invention, and is a cross-sectional view showing the configuration of a polarizer layer 1808 in FIG. 18a in more detail.
  • FIG. 18 is a diagram showing a configuration of another embodiment of the light emitting device according to the present invention, and is a cross-sectional view showing the configuration of the quarter-wave plate layer 1809 in FIG.
  • FIG. 18a It is a figure which shows the structure of other embodiment of the light emitting element by this invention, and is a perspective view which shows the structural example of the quarter wavelength plate layer 1809 in FIG. 18a. It is a figure which shows the structure of other embodiment of the light emitting element by this invention, and is a perspective view which shows the structural example of the quarter wavelength plate layer 1809 in FIG. 18a.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a light emitting device 100 according to the present invention. Note that in the light emitting element 100, the actual thickness of each individual layer is very thin, and the difference in thickness between the layers is large, so that it is difficult to draw a diagram of each layer with an accurate scale and ratio. For this reason, in the drawings, the layers are not drawn in actual proportions, and the layers are schematically shown.
  • a P-type electrode 102 made of Ni / Au / Ti / Au and a reflective layer 103 made of Ag are formed on a submount 101 made of Si.
  • a method for manufacturing the light-emitting element 100 will be described. First, an N-type semiconductor layer 106, an active layer 105, a P-type semiconductor layer 104, and a reflective layer 103 are formed on a substrate. Next, the reflective layer 103 is bonded onto the submount 101, and the substrate is removed. Next, the polarizer layer 108 is formed on the N-type semiconductor layer 106. The half-wave plate layer 109 is formed by a separate process and is bonded onto the polarizer layer 108. Finally, a P-type electrode 102 and an N-type electrode 107 are formed.
  • Light is generated in the active layer 105 by applying a voltage between the P-type electrode 102 and the N-type electrode 107 and passing a current between them.
  • the light generated in the active layer 105 includes components that travel in various directions.
  • Each of the polarizer layer 108 and the half-wave plate layer 109 includes a first region and a second region, and the first region and the second region of the polarizer layer 108 are 1 / The first region and the second region of the two-wavelength plate layer 109 are provided so as to correspond to the emitted light of the light emitting element 100.
  • the first region of the polarizer layer 108 transmits polarized light in the first direction and reflects the rest.
  • the second region of the polarizer layer 108 transmits the polarized light in the second direction orthogonal to the polarized light in the first direction, and reflects the others.
  • the light reflected by the polarizer layer 108 is reflected by the reflective layer 103 toward the polarizer layer 108. At this time, the light is reflected at an angle, so that the reflected position is different from the reflection position in the polarizer layer 108. Re-incident on. For this reason, the light incident on the polarizer layer 108 includes light that passes through the polarizer layer 108.
  • the first region and the second region of the half-wave plate layer 109 are emitted by giving a predetermined polarization rotation angle to incident light, and the second region is a first region with respect to the incident light.
  • a polarization rotation angle of 90 degrees is added to a given polarization rotation angle, and the light is emitted. For this reason, the light emitted from the half-wave plate layer 109 has a uniform polarization direction.
  • FIG. 2 is a perspective view showing one configuration example of the polarizer layer 108 in FIG.
  • a polarizer in which a plurality of metal nanowires 202 made of Al are formed in parallel is formed on an N-type semiconductor layer 201 that is GaN doped with Si.
  • the metal nanowires 202 are alternately provided with first regions 203 and second regions 204 whose longitudinal directions are orthogonal to each other.
  • the first region 203 transmits polarized light in the first direction (X direction) and reflects polarized light in the second direction (Y direction) orthogonal to the polarized light in the first direction.
  • the second region 204 transmits polarized light in the second direction and reflects polarized light in the first direction.
  • FIG. 3 is a perspective view showing another configuration example of the polarizer layer 108 in FIG.
  • a polarizer in which a plurality of semiconductors 302 in which GaN and AlN are alternately stacked is placed in parallel is formed on an N-type semiconductor layer 301 that is Si-doped GaN. Yes.
  • the semiconductor 302 is provided with first regions 303 and second regions 304 whose longitudinal directions are orthogonal to each other.
  • the first region 303 transmits polarized light in the first direction and reflects polarized light in the second direction orthogonal to the polarized light in the first direction.
  • the second region 304 transmits the polarized light in the second direction and reflects the polarized light in the first direction.
  • FIG. 4 is a perspective view showing one configuration example of the half-wave plate layer 109 in FIG.
  • a dielectric 402 in which SiO 2 and TiO 2 are alternately stacked is formed on a substrate 401 made of quartz.
  • the dielectric 402 is provided with a first region 403 and a second region 404 respectively corresponding to the first regions 203 and 303 and the second regions 204 and 304 shown in FIGS. .
  • the first region 403 Since the first region 403 is formed flat, the polarized light in the first direction transmitted through the first regions 203 and 303 is transmitted as it is.
  • the second region 404 has a periodic concavo-convex shape in one direction with respect to the XY plane as disclosed in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-51122), and one in the direction perpendicular to the XY plane. Since it has a periodic structure, it acts as a half-wave plate, and as a result, polarized light in the second direction transmitted through the second regions 204 and 304 is converted into polarized light in the first direction. And emitted.
  • the second region 404 In order to align the polarization directions of the emitted light of the first region 403 and the second region 404 where the light having the orthogonal polarization directions is incident, the second region 404 has a first It is necessary to add the polarization rotation angle of 90 degrees to the polarization rotation angle given in the region 403 and emit the light.
  • the polarization rotation angle given to the incident light is 0 degree.
  • the polarization rotation angle applied by the second region 404 is 90 degrees, and the angle difference between these directions is 90 degrees.
  • the polarized light in the second direction transmitted through the second regions 204 and 304 is converted into polarized light in the first direction and emitted.
  • FIG. 5 is a perspective view showing another configuration example of the half-wave plate layer 109 in FIG.
  • a dielectric 502 in which SiO 2 and TiO 2 are alternately stacked is formed on a substrate 501 made of quartz.
  • the dielectric 502 is provided with first regions 503 and second regions 504 respectively corresponding to the first regions 203 and 303 and the second regions 204 and 304 shown in FIGS. 2 and 3, respectively. .
  • the first region 503 and the second region 504 have a periodic concavo-convex shape in one direction with respect to the XY plane as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-51122, and in a direction orthogonal thereto. Since it has a uniform periodic structure, it acts as a half-wave plate.
  • the second region 504 has a first It is necessary to add the polarization rotation angle of 90 degrees to the polarization rotation angle given in the region 503 and emit the light.
  • the polarization rotation angle given to the incident light by the first region 503 is 45 degrees
  • the polarization rotation angle added by the second region 504 is 135 degrees
  • the angle difference between these directions is It is 90 degrees.
  • the polarized light in the second direction transmitted through the second regions 204 and 304 is converted into polarized light in the first direction and emitted.
  • FIG. 6 is a perspective view showing another configuration example of the polarizer layer 108 in FIG.
  • a polarizer in which a plurality of metal nanowires 602 made of Al are formed in parallel is formed on an N-type semiconductor layer 601 that is GaN doped with Si.
  • the metal nanowire 602 is provided so that the first region 603 and the second region 604 whose longitudinal directions are orthogonal to each other are adjacent in a staggered manner.
  • the optical characteristics of the first region 603 and the second region 604 are the same as those of the first region 203 and the second region 204 shown in FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view showing another configuration example of the polarizer layer 108 in FIG.
  • a polarizer in which a plurality of semiconductors 702 in which GaN and AlN are alternately stacked is placed in parallel is formed on an N-type semiconductor layer 701 that is GaN doped with Si. Yes.
  • the semiconductor 702 is provided so that the first region 703 and the second region 704 whose longitudinal directions are orthogonal to each other are adjacent in a staggered manner.
  • the optical characteristics of the first region 703 and the second region 704 are the same as those of the first region 303 and the second region 304 shown in FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view showing another configuration example of the half-wave plate layer 109 in FIG.
  • a dielectric 802 in which SiO 2 and TiO 2 are alternately stacked is formed on a substrate 801 made of quartz.
  • the dielectric 802 is provided with a first region 803 and a second region 804 corresponding to the first regions 603 and 703 and the second regions 604 and 704 shown in FIGS. 6 and 7, respectively. .
  • the first region 803 is formed flat, the polarized light in the first direction transmitted through the first regions 603 and 703 is transmitted as it is.
  • the second region 804 has a periodic concavo-convex shape in one direction and is uniform in a direction orthogonal to the XY plane as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-51122. Since it has a structure, it functions as a half-wave plate, whereby the polarized light in the second direction transmitted through the second regions 604 and 704 is converted into polarized light in the first direction and emitted. .
  • the second region 804 In order to make the polarization directions of the emitted light of the first region 803 and the second region 804 into which the light having the orthogonal polarization directions is incident, the second region 804 has a first It is necessary to add the polarization rotation angle of 90 degrees to the polarization rotation angle given in the region 803 and emit the light.
  • the polarization rotation angle given to the incident light is 0 degree.
  • the polarization rotation angle applied by the second region 804 is 90 degrees, and the angle difference between these directions is 90 degrees.
  • the polarized light in the second direction transmitted through the second regions 604 and 704 is converted into polarized light in the first direction and emitted.
  • FIG. 9 is a perspective view showing another configuration example of the half-wave plate layer 109 in FIG.
  • a dielectric 902 in which SiO 2 and TiO 2 are alternately stacked is formed on a substrate 901 made of quartz.
  • the dielectric 902 is provided with a first region 903 and a second region 904 corresponding to the first regions 603 and 703 and the second regions 604 and 704 shown in FIGS. 6 and 7, respectively. .
  • the first region 903 and the second region 904 have a periodic concavo-convex shape in one direction with respect to the XY plane, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-51122, and in a direction orthogonal to this. Since it has a uniform periodic structure, it acts as a half-wave plate.
  • the second region 904 has a first direction with respect to the incident light. It is necessary to add the polarization rotation angle of 90 degrees to the polarization rotation angle given in the region 903 and emit the light.
  • the polarization rotation angle given to the incident light by the first region 903 is 45 degrees
  • the polarization rotation angle added by the second region 904 is 135 degrees
  • the angle difference between these directions is It is 90 degrees.
  • the polarized light in the second direction transmitted through the second regions 604 and 704 is converted into polarized light in the first direction and emitted.
  • the device when the first region and the second region are arranged in stripes, the device can be easily manufactured.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the periods of the first region and the second region formed in the polarizer layer and the half-wave plate layer.
  • the light generated in the active layer 105 is directly emitted from the polarizer layer 108 without being reflected, but half of the light is reflected.
  • the attenuation is so strong that it is difficult to use it as illumination light. Therefore, here, a periodic structure suitable for being reflected once by the reflective layer 103 and emitted from the polarizer layer 108 will be examined. .
  • the center in the thickness direction of the polarizer layer 108 is A
  • the center in the thickness direction of the reflective layer 103 is B
  • the widths of the first region and the second region are equal.
  • the addition is P.
  • the point where the reflection is performed is the center in the thickness direction of each of the polarizer layer 108 and the reflection layer 103, the distance therebetween is L1
  • the center of the active layer 105 (light emitting point) to the center of the polarizer layer 108.
  • the distance to is L2.
  • the position of the light emitting point in the XY plane is set to the center of either the first region or the second region where it is most difficult to emit by one-time reflection.
  • the light is emitted by one reflection.
  • the light to do increases.
  • the intersection of the emitted lights is at a distance of 2L1 + L2 from the center A of the polarizer layer.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the relative period indicated by P / (2L1 + L2) and the angle width, and shows that the angle width is 30 ° at the maximum when the relative period is 2.3. If the relative period is between 0.9 and 6.5, the angle width can be 20 ° or more, and if the relative period is between 1.2 and 4.5, the angle width is 25 ° or more. I can see that
  • the angle width is set to the maximum 30 °.
  • the width P including the first region and the second region may be set to 17 ⁇ m.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of an image display device using a light emitting element according to the present invention.
  • the image display device shown in FIG. 12 includes a light source unit 1201R that generates red light, a light source unit 1201G that generates green light, and a light source unit 1201B that generates blue light.
  • Each of these light source units is configured using at least one light emitting element according to the present invention described with reference to FIGS.
  • the red light generated in the light source unit 1201R irradiates the liquid crystal display element 1203R that displays an image for red light through the condenser lens 1202R, and thus the red image light generated in the liquid crystal display element 1203R is converted into the color synthesis prism. 1204 is incident.
  • the green light generated by the light source unit 1201G irradiates the liquid crystal display element 1203G that displays an image for green light via the condenser lens 1202G, and thereby the green image light generated by the liquid crystal display element 1203G is converted into a color combining prism. 1204 is incident.
  • the blue light generated in the light source unit 1201B irradiates the liquid crystal display element 1203B that displays an image for blue light via the condenser lens 1202B, and the blue image light generated in the liquid crystal display element 1203B is thereby converted into the color synthesis prism. 1204 is incident.
  • the color composition prism 1204 projects image light obtained by combining the incident red image light, green image light, and blue image light through the projection lens 1205.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of another embodiment of an image display device using a light emitting element according to the present invention.
  • the image display apparatus of this embodiment forms an image using a micromirror 1304 that individually controls the angles of a plurality of micromirrors.
  • the image display device of the present embodiment includes a light source unit 1301R that generates red light, a light source unit 1301G that generates green light, and a light source unit 1301B that generates blue light.
  • Each of these light source units is configured using at least one light emitting element according to the present invention described with reference to FIGS.
  • the red light generated by the light source unit 1301R enters the color synthesis prism 1303 via the condenser lens 1302R.
  • the green light generated by the light source unit 1301G enters the color synthesis prism 1303 via the condenser lens 1302G.
  • Blue light generated by the light source unit 1301B enters the color synthesis prism 1303 via the condenser lens 1302B.
  • the light source unit 1301R, the light source unit 1301G, and the light source unit 1301B are controlled so that the lighting states are sequentially switched, and red light, green light, and blue light are sequentially emitted from the color synthesis prism 1303 toward the micromirror 1304. Is done.
  • the micro mirror 1304 forms image light corresponding to the color light being irradiated, and thereby red image light, green image light, and blue image light are projected sequentially through the projection lens 1305.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of another embodiment of an image display device using a light emitting element according to the present invention.
  • the image display apparatus of this embodiment forms an image using a micromirror 1405 that individually controls the angles of a plurality of micromirrors.
  • the image display device of this embodiment generates light source units 1401RP and 1401RS that generate red P-polarized light and S-polarized light, light source units 1401GP and 1401GS that generate green P-polarized light and S-polarized light, blue P-polarized light, and S-polarized light.
  • Light source units 1401BP and 1401BS Each of these light source units is configured using at least one light emitting element according to the present invention described with reference to FIGS.
  • the red P-polarized light and S-polarized light generated by the light source units 1401RP and 1401RS enter the polarizing beam splitter 1402R.
  • the polarization beam splitter 1402R transmits the P-polarized light as it is and reflects the S-polarized light.
  • red P-polarized light and S-polarized light generated by the light source units 1401RP and 1401RS are emitted from the polarizing beam splitter 1402R.
  • green P-polarized light and S-polarized light generated by the light source units 1401GP and 1401GS are emitted from the polarizing beam splitter 1402G, and blue P-polarized light and S-polarized light generated by the light source units 1401BP and 1401BS are output from the polarizing beam splitter 1402B. Emitted.
  • the light source units 1401RP and 1401RS, the light source units 1401GP and 1401GS, and the light source units 1401BP and 1401BS are controlled so that the lighting states of the respective colors are sequentially switched, and red light, green light, and blue light are microscopically emitted from the color synthesis prism 1404. Irradiation in turn toward the mirror 1405.
  • the micromirror 1405 forms image light corresponding to the color light being irradiated, and thereby red image light, green image light, and blue image light are projected in order via the projection lens 1406.
  • FIG. 15 is a diagram showing the configuration of the drive system of the image display apparatus shown in FIG.
  • the light source units 1201R, 1201G, and 1201B are driven by the drive circuits 1501R, 1501G, and 1501B to be turned on. Note that the light source units 1201R, 1201G, and 1201B are always turned on during the image display operation, and thus may be driven by one drive circuit.
  • the image signal processing circuit 1501 generates a signal indicating a red image, a green image, and a blue image in accordance with an input image signal given from an external PC (personal computer), an image reproduction device, or the like to generate a drive circuit 1502R,
  • the liquid crystal display devices 1203R, 1203G, and 1203B are driven by the drive circuits 1502R, 1502G, and 1502B to form a red image, a green image, and a blue image.
  • FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a drive system of the image display apparatus shown in FIG.
  • the image signal processing circuit 1601 generates a signal indicating a red image, a green image, and a blue image corresponding to an input image signal given from an external PC or an image reproduction device, and these images are sequentially formed.
  • the micromirror 1304 is driven via the drive circuit 1604.
  • the drive circuits 1602R, 1602G, and 1602B are controlled so that the light source unit of the formed image color is turned on among the light source units 1301R, 1301G, and 1301B.
  • FIG. 17 is a diagram showing the configuration of the drive system of the image display apparatus shown in FIG.
  • An image signal processing circuit 1701 generates a signal indicating a red image, a green image, and a blue image according to an input image signal given from an external PC or an image reproducing device, and these images are sequentially formed.
  • the micromirror 1405 is driven via the drive circuit 1703.
  • the drive circuits 1702RP, 1702RS, 1702GP, 1702GS, 1702BP, and 1702BS are controlled so that the light source units of the formed image color are turned on among the light source units 1401RP, 1401RS, 1401GP, 1401GS, 1401BP, and 1401BS. To do.
  • FIG. 18a is a cross-sectional view showing a configuration of another embodiment of a light emitting device according to the present invention.
  • the actual thickness of each individual layer is very thin, and the difference in the thickness of each layer is large, so that it is difficult to draw each layer with an accurate scale and ratio. is there.
  • the layers are not drawn in actual proportions, and the layers are schematically shown.
  • a P-type electrode 1802 made of Ni / Au / Ti / Au and a reflective layer 1803 made of Ag are formed on a submount 1801 made of Si.
  • a P-type semiconductor layer 1804 which is GaN doped with Mg, an active layer 1805 in which GaN and InGaN are alternately stacked to form a multiple quantum well, and N, which is GaN doped with Si
  • a type semiconductor layer 1806 is sequentially stacked.
  • An N-type electrode 1807 made of Ti / Al / Ti / Au and a polarizer layer 1808 are formed on the N-type semiconductor layer 1806, and a quarter-wave plate layer 1809 is further formed on the polarizer layer 1808.
  • a quarter-wave plate layer 1810 is provided.
  • a method for manufacturing the light-emitting element 1800 will be described. First, an N-type semiconductor layer 1806, an active layer 1805, a P-type semiconductor layer 1804, and a reflective layer 1803 are formed on a substrate. Next, the reflective layer 1803 is bonded onto the submount 1801, and the substrate is removed. Next, a polarizer layer 1808 is formed over the N-type semiconductor layer 1806. The quarter-wave plate layer 1809 and the quarter-wave plate layer 1810 are formed by a separate process and are bonded onto the polarizer layer 1808. Finally, a P-type electrode 1802 and an N-type electrode 1807 are formed.
  • Light is generated in the active layer 1805 by applying a voltage between the P-type electrode 1802 and the N-type electrode 1807 and passing a current between them.
  • the light generated in the active layer 1805 includes components that travel in various directions.
  • 18b and 18c are cross-sectional views showing in more detail the configurations of the polarizer layer 1808 and the quarter-wave plate layer 1809 in FIG. 18a.
  • the polarizer layer 1808 and the quarter-wave plate layer 1809 are each provided with a first region and a second region.
  • the first region 1808 1 and the second region 1808 2 of the polarizer layer 1808 are the same as the first region 1809 1 and the second region 1809 2 of the quarter-wave plate layer 1809 and the light emitted from the light emitting element 1800. It is provided to correspond.
  • the first region 1808 1 polarizer layer 1808 is transmitted through the polarization in a first direction, and reflects the rest.
  • the second region 1808 2 of the polarizer layer 1808 transmits the polarized light in the second direction orthogonal to the polarized light in the first direction, and reflects the other.
  • the light reflected by the polarizer layer 1808 is reflected by the reflective layer 1803 toward the polarizer layer 1808, but at this time, the light is reflected at an angle, so that the position is different from the reflection position in the polarizer layer 1808. Re-incident on. Therefore, the light incident on the polarizer layer 1808 includes light that passes through the polarizer layer 1808.
  • the first region 1809 1 and the second region 1809 2 of the quarter-wave plate layer 1809 are emitted by giving a phase difference of 1 ⁇ 4 wavelength to two orthogonal polarization components of incident light.
  • the first region and the second region give opposite phase differences to the two orthogonal polarization components of the incident light.
  • the emitted light is aligned with circularly polarized light that rotates in the same direction. It is done.
  • the 1 ⁇ 4 wavelength plate layer 1810 gives a phase difference of 1 ⁇ 4 wavelength to two orthogonal polarization components of the circularly polarized light emitted from the 1 ⁇ 4 wavelength plate layer 1809 and emits it as linearly polarized light.
  • the configurations shown in FIGS. 2, 3, 6, and 7 can be used.
  • the quarter wavelength plate layer 1809 it can be set as the structure shown to FIG. 18d and FIG. 18e.
  • dielectrics 1811 ′ and 1811 ′′ in which SiO 2 and TiO 2 are alternately stacked are formed on quartz substrates 1810 ′ and 1810 ′′.
  • the dielectrics 1811 ′ and 1811 ′′ are provided with first regions 1808 1 ′ and 1808 1 ′′ and second regions 1808 2 ′ and 1808 2 ′′.
  • the first region 1808 1 ′, 1808 1 ′′ and the second region 1808 2 ′, 1808 2 ′′ are periodic in one direction with respect to the XY plane as disclosed in JP-A-2001-51122. Since it has a concavo-convex shape and has a periodic structure that is uniform in a direction perpendicular to the concavo-convex shape, it functions as a quarter-wave plate.
  • the first region and the second region are arranged in a stripe pattern, and in the example shown in FIG. 18e, the first region and the second region are arranged in a staggered pattern. Yes.
  • an image display device using the light emitting element 1800 can have the configuration shown in FIGS.

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Abstract

　効率が良く、高輝度化が可能な偏光状態が揃った光を出射する発光素子を実現する。　本発明の発光素子は、光を発生する活性層を備える発光素子であって、活性層にて発生した光のうち、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第１の領域と、第１の方向と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第２の領域と、を備える偏光子層と、第１の領域と第２の領域より出射した光を入射し、同じ偏光状態の光として出射する第３の領域および第４の領域を備える波長板層と、第１の領域および第２の領域で反射された光を反射する反射層と、を有する。

Description

発光素子および該発光素子を用いた画像表示装置
　本発明は、偏光状態が揃った光を出射する発光素子および該発光素子を用いた画像表示装置に関する。
　発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる画像表示装置が提案されている。この種の画像表示装置では、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色を発光する複数のＬＥＤと、複数のＬＥＤからの光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光が入射する液晶表示板を有するライトバルブと、ライトバルブからの光を合成する色合成プリズムと、色合成プリズムからの光を投射面上に投射するための投射光学系と、を備えて構成されている。
　上記の構成を備える画像表示装置では、投射映像の輝度を高めるために、発光素子からライトバルブまでの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。
　上記の構成要素のうち、液晶表示板および色合成プリズムは偏光依存性を有するものであり、光学系の高効率化のためには、発光素子は偏光状態が揃った光を出射するものであることが望ましい。
　また、非特許文献１に記載されているように、発光素子の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、発光素子の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、発光素子からの光が投射光として利用されない。
　そのため、ＬＥＤを用いた画像表示装置では、発光素子の出射光のエテンデューの低減を図るために、発光素子の出射面を大きくすることなく、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。
　特許文献１（特開2009-111012号公報）には、偏光比の大きな発光を行うことを目的とし、成長主面の面方位を規定した半導体発光装置が開示されている。
　特許文献２（特開2007-109689号公報）には、エテンデューを低減でき、かつ高い偏光変換効率で光を供給することが可能な発光素子等を提供することを課題とし、基準面上に設けられて光を供給する発光部と、発光部の出射側に設けられた構造体と、を有し、構造体は、第１の振動方向の偏光光を透過させ、第１の振動方向に略直交する第２の振動方向の偏光光を反射する反射型偏光板と、反射型偏光板からの光を透過させ、基準面に略平行な二次元方向につき屈折率が周期的に変化するように形成された光学部と、を有する発光素子が開示されている。
特開２００９－１１１０１２号公報 特開２００７－１０９６８９号公報 特開２００１－５１１２２号公報
SID　06　DIGEST,　2006,　pp.1808-1811,　61.1,　Photonic　Lattice　LEDs　for　RPTV　Light　Engines,　Christian　Hoepfner
　特許文献１に記載されている半導体発光装置では、成長主面の面方位を用いるものであるため、成長条件が制限され、生産性に課題が生じる。このことは、特に大面積の基板を用いるときに問題となる。
　特許文献２に記載の発光素子においては、反射型偏光板を用いて出射される光の偏光方向を揃えるものであるが、反射型偏光板で反射された光は、反射型偏光板よりも発光部側に設けられた反射部や位相板で振動方向を変えて反射型偏光板に再入射する構成であるために、反射時における減衰などを考えると偏光変換の効率が悪く、高輝度化が困難であるという問題点がある。
　本発明は上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、作製が容易であり、効率が良く、高輝度化が可能な偏光状態が揃った光を出射する発光素子を実現することを目的とする。
　本発明の発光素子は、光を発生する活性層を備える発光素子であって、
　前記活性層にて発生した光のうち、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第１の領域と、前記第１の方向と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第２の領域と、を備える偏光子層と、
　前記第１の領域と第２の領域より出射した光を入射し、同じ偏光状態の光として出射する第３の領域および第４の領域を備える波長板層と、
　前記第１の領域および第２の領域で反射された光を反射する反射層と、を有することを特徴とする。
　本発明の画像表示装置は、上記構成の発光素子を用いている。
　本発明においては、偏光子層からは、第１の方向の偏光と、第１の方向と直交する第２の方向の偏光が出射される。これらの偏光は、その後、反射することなく、波長板層にて同じ偏光状態の光として出射されるので、効率が良く、高輝度化が可能となる。
本発明による発光素子の一実施形態の構成を示す断面図である。 図１中の偏光子層１０８の一つの構成例を示す斜視図である。 図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。 図１中の１／2波長板層１０９の一つの構成例を示す斜視図である。 図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。 図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。 図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。 図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。 図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。 偏光子層１０８、１／２波長板層１０９に形成される第１の領域および第２の領域の周期について説明するための図である。 相対周期と角度幅の関係を示す図である。 本発明による発光素子を用いた画像表示装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明による発光素子を用いた画像表示装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明による発光素子を用いた画像表示装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１２に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。 図１３に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。 図１４に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。 本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す図であり、図１８ａ中の偏光子層１８０８の構成をより詳細に示す断面図である。 本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す図であり、図１８ａ中の１／４波長板層１８０９の構成をより詳細に示す断面図である。 本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す図であり、図１８ａ中の１／４波長板層１８０９の構成例を示す斜視図である。 本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す図であり、図１８ａ中の１／４波長板層１８０９の構成例を示す斜視図である。
　以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明による発光素子１００の一実施形態の構成を示す断面図である。なお、発光素子１００において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。
　Siであるサブマウント１０１上に、Ni/Au/Ti/AuからなるP型電極１０２、Agからなる反射層１０３が形成されている。
　反射層１０３上には、MgがドープされたGaNであるP型半導体層１０４、GaNとInGaNとが交互に積層されて多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple　Quantum　Well）を構成する活性層１０５、SiがドープされたGaNであるN型半導体層１０６とが順に積層されている。N型半導体層１０６の上には、Ti/Al/Ti/AuからなるN型電極１０７、偏光子層１０８が形成され、偏光子層１０８の上には、さらに１／2波長板層１０９が設けられている。
　発光素子１００の作製方法について説明する。まず、基板上に、Ｎ型半導体層１０６、活性層１０５、Ｐ型半導体層１０４、反射層１０３を形成する。次に、サブマウント１０１上に反射層１０３を貼り合わせ、基板を除去する。次に、Ｎ型半導体層１０６上に偏光子層１０８を形成する。１／2波長板層１０９は別プロセスにより形成され、偏光子層１０８上に貼り合わされる。最後に、Ｐ型電極１０２、Ｎ型電極１０７を形成する。
　本実施形態の概略動作について説明する。P型電極１０２とN型電極１０７との間に電圧を加え、これらの間に電流を流すことにより活性層１０５にて光が発生する。活性層１０５にて発生した光には、様々な方向に向かう成分が含まれる。
　偏光子層１０８および１／2波長板層１０９は、いずれも第１の領域および第２の領域をそれぞれ備えるものであり、偏光子層１０８の第１の領域と第２の領域は、１／2波長板層１０９の第１の領域と第２の領域と、発光素子１００の出射光について対応するように設けられている。
　偏光子層１０８の第１の領域は、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外を反射させる。偏光子層１０８の第２の領域は、第１の方向の偏光と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外を反射する。偏光子層１０８で反射された光は、反射層１０３で、偏光子層１０８に向けて反射するが、このとき、角度を以って反射するために偏光子層１０８における反射位置とは異なる位置に再入射する。このため、偏光子層１０８への再入射光には、偏光子層１０８を透過する光が存在する。
　１／2波長板層１０９の第１の領域および第２の領域は、入射光に所定の偏光回転角を与えて出射するもので、第２の領域は入射光に対して第１の領域で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射する。このため、１／2波長板層１０９から出射する光は、偏光方向が一様なものとされる。
　以下に、偏光子層１０８、１／2波長板層１０９の具体的構成について説明する。
　図２は、図１中の偏光子層１０８の一つの構成例を示す斜視図である。
　図２に示す例では、SiがドープされたGaNであるN型半導体層２０１の上に、Alからなる金属ナノワイヤ２０２が複数平行に形成された偏光子が形成されている。金属ナノワイヤ２０２は、その長手方向が直交する第１の領域２０３と第２の領域２０４が交互に設けられている。
　第１の領域２０３は第１の方向（Ｘ方向）の偏光を透過させ、第１の方向の偏光と直交する第２の方向（Ｙ方向）の偏光を反射する。
　第２の領域２０４は第２の方向の偏光を透過させ、第１の方向の偏光を反射する。
　図３は、図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。
　図３に示す例では、SiがドープされたGaNであるN型半導体層３０１の上に、GaNとAlNとが交互に積層された半導体３０２が複数平行に戴置された偏光子が形成されている。半導体３０２は、その長手方向が直交する第１の領域３０３と第２の領域３０４が交互に設けられている。
　第１の領域３０３は第１の方向の偏光を透過させ、第１の方向の偏光と直交する第２の方向の偏光を反射する。
　第２の領域３０４は第２の方向の偏光を透過させ、第１の方向の偏光を反射する。
　図４は、図１中の１／2波長板層１０９の一つの構成例を示す斜視図である。
　図４に示す例では、石英である基板４０１の上に、SiO2とTiO2とが交互に積層された誘電体４０２が形成されている。誘電体４０２には、図２および図３にそれぞれ示した第１の領域２０３，３０３、第２の領域２０４，３０４にそれぞれ対応する第１の領域４０３と第２の領域４０４が設けられている。
　第１の領域４０３は平坦に形成されているために、第１の領域２０３，３０３を透過した第１の方向の偏光をそのまま通過させる。
　第２の領域４０４は、特許文献３（特開2001-51122号公報）に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／2波長板として作用するものであり、これにより、第２の領域２０４，３０４を透過した第２の方向の偏光は第１の方向の偏光に変換されて出射される。
　偏光方向が直交する光が入射する第１の領域４０３と第２の領域４０４の出射光の偏光方向を揃ったものとするためには、第２の領域４０４は入射光に対して第１の領域４０３で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することが必要となる。
　図４に示される例では、第１の領域４０３は平坦に形成されているため、入射光に与える偏光回転角は０度となる。第２の領域４０４が加える偏光回転角は９０度とされ、これらの方向の角度差は９０度とされている。
　これにより、第２の領域２０４，３０４を透過した第２の方向の偏光は、第１の方向の偏光に変換されて出射される。
　図５は、図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。
　図５に示す例では、石英である基板５０１の上に、SiO2とTiO2とが交互に積層された誘電体５０２が形成されている。誘電体５０２には、図２および図３にそれぞれ示した第１の領域２０３，３０３、第２の領域２０４，３０４にそれぞれ対応する第１の領域５０３と第２の領域５０４が設けられている。
　第１の領域５０３、第２の領域５０４は、特開2001-51122号公報に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／2波長板として作用する。
　偏光方向が直交する光が入射する第１の領域５０３と第２の領域５０４の出射光の偏光方向を揃ったものとするためには、第２の領域５０４は入射光に対して第１の領域５０３で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することが必要となる。
　図５に示される例では、第１の領域５０３が入射光に与える偏光回転角は４５度とされ、第２の領域５０４が加える偏光回転角は１３５度とされ、これらの方向の角度差は９０度とされている。
　これにより、第２の領域２０４，３０４を透過した第２の方向の偏光は、第１の方向の偏光に変換されて出射される。
　図６は、図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。
　図６に示す例では、SiがドープされたGaNであるN型半導体層６０１の上に、Alからなる金属ナノワイヤ６０２が複数平行に形成された偏光子が形成されている。金属ナノワイヤ６０２は、その長手方向が直交する第１の領域６０３と第２の領域６０４が千鳥状に隣接するように設けられている。
　第１の領域６０３と第２の領域６０４の光学的特性は、図２に示した第１の領域２０３と第２の領域２０４と同様である。
　図７は、図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。
　図７に示す例では、SiがドープされたGaNであるN型半導体層７０１の上に、GaNとAlNとが交互に積層された半導体７０２が複数平行に戴置された偏光子が形成されている。半導体７０２は、その長手方向が直交する第１の領域７０３と第２の領域７０４が千鳥状に隣接するように設けられている。
　第１の領域７０３と第２の領域７０４の光学的特性は、図３に示した第１の領域３０３と第２の領域３０４と同様である。
　図８は、図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。
　図８に示す例では、石英である基板８０１の上に、SiO2とTiO2とが交互に積層された誘電体８０２が形成されている。誘電体８０２には、図６および図７にそれぞれ示した第１の領域６０３，７０３、第２の領域６０４，７０４にそれぞれ対応する第１の領域８０３と第２の領域８０４が設けられている。
　第１の領域８０３は平坦に形成されているために、第１の領域６０３，７０３を透過した第１の方向の偏光をそのまま通過させる。
　第２の領域８０４は、特開2001-51122号公報に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／2波長板として作用するものであり、これにより、第２の領域６０４，７０４を透過した第２の方向の偏光は第１の方向の偏光に変換されて出射される。
　偏光方向が直交する光が入射する第１の領域８０３と第２の領域８０４の出射光の偏光方向を揃ったものとするためには、第２の領域８０４は入射光に対して第１の領域８０３で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することが必要となる。
　図８に示される例では、第１の領域８０３は平坦に形成されているため、入射光に与える偏光回転角は０度となる。第２の領域８０４が加える偏光回転角は９０度とされ、これらの方向の角度差は９０度とされている。
　これにより、第２の領域６０４，７０４を透過した第２の方向の偏光は、第１の方向の偏光に変換されて出射される。
　図９は、図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。
　図９に示す例では、石英である基板９０１の上に、SiO2とTiO2とが交互に積層された誘電体９０２が形成されている。誘電体９０２には、図６および図７にそれぞれ示した第１の領域６０３，７０３、第２の領域６０４，７０４にそれぞれ対応する第１の領域９０３と第２の領域９０４が設けられている。
　第１の領域９０３、第２の領域９０４は、特開2001-51122号公報に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／2波長板として作用する。
　偏光方向が直交する光が入射する第１の領域９０３と第２の領域９０４の出射光の偏光方向を揃ったものとするためには、第２の領域９０４は入射光に対して第１の領域９０３で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することが必要となる。
　図９に示される例では、第１の領域９０３が入射光に与える偏光回転角は４５度とされ、第２の領域９０４が加える偏光回転角は１３５度とされ、これらの方向の角度差は９０度とされている。
　これにより、第２の領域６０４，７０４を透過した第２の方向の偏光は、第１の方向の偏光に変換されて出射される。
　図２ないし図５に示したように、第１の領域と第２の領域とを縞状に配設した場合には、素子の作製を容易とすることができる。
　図６ないし図９に示したように、第１の領域と第２の領域とを千鳥状に配設した場合には、Ｘ方向への光の拡がり方とＹ方向への光の拡がり方が同様のものとなり、均一性が高く、より扱いやすい照明光とすることができる。
　図１０は、偏光子層、１／２波長板層に形成される第１の領域および第２の領域の周期について説明するための図である。
　活性層１０５にて発生した光は、反射することなく、直接、偏光子層１０８から出射することが望ましいが、その半分は反射される。複数回反射した場合には、減衰が激しく、照明光として利用することは難しいため、ここでは、反射層１０３で１回反射して偏光子層１０８から出射するのに適した周期構造について検討する。
　図１０では、偏光子層１０８の厚さ方向の中心をＡ、反射層１０３の厚さ方向の中心をＢ、第１の領域と第２の領域の幅を等しいものとし、各領域の幅を加えたものをＰとしている。また、反射が行われる点を偏光子層１０８、反射層１０３、それぞれの厚さ方向の中心とし、これらの間の距離をＬ１、活性層１０５の中心（発光点）から偏光子層１０８の中心までの距離をＬ２としている。また、発光点のＸＹ面内の位置については、１回反射で出射することが最も困難となる、第１の領域、第２の領域のいずれかの中心としている。
　図１０に示すように、発光点で発生し、１回反射で出射する光のうち、最短距離で出射する光と最長距離で出射する光のなす角度幅Δθが大きな程、１回反射で出射する光は多くなる。各出射光の交点は、偏光子層１０８の中心Ａから２Ｌ１＋Ｌ２の距離にある。
　図１１は、Ｐ／（２Ｌ１＋Ｌ２）で示される相対周期と角度幅の関係を示す図であり、相対周期が２．３のときに角度幅は最大の３０°となることが示されている。また、相対周期が０．９から６．５の間であれば角度幅２０°以上とすることができ、相対周期が１．２から４．５の間であれば角度幅２５°以上とすることができることが分かる。
　偏光子層１０８と反射層１０３の間の距離Ｌ１が３μｍ、活性層１０５の中心から偏光子層１０８の中心までの距離Ｌ２が１．５μｍである場合、角度幅を最大の３０°とするためには、第１の領域と第２の領域を加えた幅Ｐを１７μｍとすればよい。
　図１２は、本発明による発光素子を用いた画像表示装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
　図１２に示される画像表示装置は、赤色光を発生する光源ユニット１２０１Ｒ、緑色光を発生する光源ユニット１２０１Ｇ、青色光を発生する光源ユニット１２０１Ｂ、を備えている。これらの各光源ユニットは、図１ないし図１１を用いて説明した本発明による発光素子を少なくとも１つ以上用いて構成されている。
　光源ユニット１２０１Ｒにて発生した赤色光は集光レンズ１２０２Ｒを介して赤色光用の画像を表示する液晶表示素子１２０３Ｒを照射し、これにより液晶表示素子１２０３Ｒにて発生した赤色画像光が色合成プリズム１２０４に入射する。
　光源ユニット１２０１Ｇにて発生した緑色光は集光レンズ１２０２Ｇを介して緑色光用の画像を表示する液晶表示素子１２０３Ｇを照射し、これにより液晶表示素子１２０３Ｇにて発生した緑色画像光が色合成プリズム１２０４に入射する。
　光源ユニット１２０１Ｂにて発生した青色光は集光レンズ１２０２Ｂを介して青色光用の画像を表示する液晶表示素子１２０３Ｂを照射し、これにより液晶表示素子１２０３Ｂにて発生した青色画像光が色合成プリズム１２０４に入射する。
　色合成プリズム１２０４にて、入射された赤色画像光、緑色画像光、青色画像光が合成された画像光が投写レンズ１２０５を介して投写される。
　図１３は、本発明による発光素子を用いた画像表示装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の画像表示装置は、複数のマイクロミラーの角度を個別に制御するマイクロミラー１３０４を用いて画像を形成するものである。
　本実施形態の画像表示装置は、赤色光を発生する光源ユニット１３０１Ｒ、緑色光を発生する光源ユニット１３０１Ｇ、青色光を発生する光源ユニット１３０１Ｂ、を備えている。これらの各光源ユニットは、図１ないし図１１を用いて説明した本発明による発光素子を少なくとも１つ以上用いて構成されている。
　光源ユニット１３０１Ｒにて発生した赤色光は集光レンズ１３０２Ｒを介して色合成プリズム１３０３に入射する。光源ユニット１３０１Ｇにて発生した緑色光は集光レンズ１３０２Ｇを介して色合成プリズム１３０３に入射する。光源ユニット１３０１Ｂにて発生した青色光は集光レンズ１３０２Ｂを介して色合成プリズム１３０３に入射する。
　光源ユニット１３０１Ｒ、光源ユニット１３０１Ｇ、光源ユニット１３０１Ｂは、点灯状態が順次切り替えられるように制御されており、色合成プリズム１３０３からは赤色光、緑色光、青色光がマイクロミラー１３０４に向けて順番に照射される。
　マイクロミラー１３０４は照射されている色光に応じた画像光を形成するものであり、これにより、赤色画像光、緑色画像光、青色画像光が投写レンズ１３０５を介して順番に投写される。
　図１４は、本発明による発光素子を用いた画像表示装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の画像表示装置は、複数のマイクロミラーの角度を個別に制御するマイクロミラー１４０５を用いて画像を形成するものである。
　本実施形態の画像表示装置は、赤色のＰ偏光、Ｓ偏光を発生する光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳ、緑色のＰ偏光、Ｓ偏光を発生する光源ユニット１４０１ＧＰ，１４０１ＧＳ、青色のＰ偏光、Ｓ偏光を発生する光源ユニット１４０１ＢＰ，１４０１ＢＳ、を備えている。これらの各光源ユニットは、図１ないし図１１を用いて説明した本発明による発光素子を少なくとも１つ以上用いて構成されている。
　光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳにて発生した赤色のＰ偏光およびＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１４０２Ｒに入射する。偏光ビームスプリッタ１４０２ＲはＰ偏光についてはそのまま透過し、Ｓ偏光については反射する。この結果、光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳにて発生した赤色のＰ偏光およびＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１４０２Ｒより出射される。
　同様に、光源ユニット１４０１ＧＰ，１４０１ＧＳにて発生した緑色のＰ偏光およびＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１４０２Ｇより出射され、光源ユニット１４０１ＢＰ，１４０１ＢＳにて発生した青色のＰ偏光およびＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１４０２Ｂより出射される。
　偏光ビームスプリッタ１４０２Ｒ、偏光ビームスプリッタ１４０２Ｇ、偏光ビームスプリッタ１４０２Ｂより出射した光は、集光レンズ１４０３Ｒ、１４０３Ｇ、１４０３Ｂをそれぞれ介して色合成プリズム１４０４に入射する。
　光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳ、光源ユニット１４０１ＧＰ，１４０１ＧＳ、光源ユニット１４０１ＢＰ，１４０１ＢＳは、各色の点灯状態が順次切り替えられるように制御されており、色合成プリズム１４０４からは赤色光、緑色光、青色光がマイクロミラー１４０５に向けて順番に照射される。
　マイクロミラー１４０５は照射されている色光に応じた画像光を形成するものであり、これにより、赤色画像光、緑色画像光、青色画像光が投写レンズ１４０６を介して順番に投写される。
　本実施形態の画像表示装置を図１３に示した画像表示装置と比較すると、各光源ユニットを構成する発光素子数が同じであるとすると光量が２倍となり、輝度が高いものとすることができる。
　図１５は、図１２に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。
　光源ユニット１２０１Ｒ、１２０１Ｇ、１２０１Ｂは、駆動回路１５０１Ｒ、１５０１Ｇ、１５０１Ｂにより駆動されて点灯状態とされる。なお、光源ユニット１２０１Ｒ、１２０１Ｇ、１２０１Ｂは、画像表示動作時には常時点灯状態とされるので、１つの駆動回路で駆動するものとしてもよい。
　画像信号処理回路１５０１は、外部のＰＣ（パーソナルコンピュータ）や画像再生装置などから与えられる入力画像信号に応じた赤色用画像、緑色用画像、青色用画像を示す信号を生成して駆動回路１５０２Ｒ、１５０２Ｇ、１５０２Ｂに供給し、液晶表示装置１２０３Ｒ、１２０３Ｇ、１２０３Ｂは、駆動回路１５０２Ｒ、１５０２Ｇ、１５０２Ｂにより駆動されて赤色用画像、緑色用画像、青色用画像を形成する。
　図１６は、図１３に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。
　画像信号処理回路１６０１は、外部のＰＣや画像再生装置などから与えられる入力画像信号に応じた赤色用画像、緑色用画像、青色用画像を示す信号を生成し、これらの画像が順次形成されるように駆動回路１６０４を介してマイクロミラー１３０４を駆動する。これと同時に、光源ユニット１３０１Ｒ、１３０１Ｇ、１３０１Ｂのうち、形成されている画像色の光源ユニットが点灯するように、駆動回路１６０２Ｒ、１６０２Ｇ、１６０２Ｂを制御する。
　図１７は、図１４に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。
　画像信号処理回路１７０１は、外部のＰＣや画像再生装置などから与えられる入力画像信号に応じた赤色用画像、緑色用画像、青色用画像を示す信号を生成し、これらの画像が順次形成されるように駆動回路１７０３を介してマイクロミラー１４０５を駆動する。これと同時に、光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳ、１４０１ＧＰ，１４０１ＧＳ、１４０１ＢＰ，１４０１ＢＳのうち、形成されている画像色の光源ユニットが点灯するように、駆動回路１７０２ＲＰ，１７０２ＲＳ、１７０２ＧＰ，１７０２ＧＳ、１７０２ＢＰ，１７０２ＢＳを制御する。
　図１８ａは、本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。
　本実施形態の発光素子１８００においても、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。
　Siであるサブマウント１８０１上に、Ni/Au/Ti/AuからなるP型電極１８０２、Agからなる反射層１８０３が形成されている。
　反射層１８０３上には、MgがドープされたGaNであるP型半導体層１８０４、GaNとInGaNとが交互に積層されて多重量子井戸を構成する活性層１８０５、SiがドープされたGaNであるN型半導体層１８０６とが順に積層されている。N型半導体層１８０６の上には、Ti/Al/Ti/AuからなるN型電極１８０７、偏光子層１８０８が形成され、偏光子層１８０８の上には、さらに、１／４波長板層１８０９、１／４波長板層１８１０が設けられている。
　発光素子１８００の作製方法について説明する。まず、基板上に、Ｎ型半導体層１８０６、活性層１８０５、Ｐ型半導体層１８０４、反射層１８０３を形成する。次に、サブマウント１８０１上に反射層１８０３を貼り合わせ、基板を除去する。次に、Ｎ型半導体層１８０６上に偏光子層１８０８を形成する。１／４波長板層１８０９、１／４波長板層１８１０は別プロセスにより形成され、偏光子層１８０８上に貼り合わされる。最後に、Ｐ型電極１８０２、Ｎ型電極１８０７を形成する。
　本実施形態の概略動作について説明する。P型電極１８０２とN型電極１８０７との間に電圧を加え、これらの間に電流を流すことにより活性層１８０５にて光が発生する。活性層１８０５にて発生した光には、様々な方向に向かう成分が含まれる。
　図１８ｂ,図１８ｃは、図１８ａ中の偏光子層１８０８，１／４波長板層１８０９の構成をより詳細に示す断面図である。
　図１８ｂ,図１８ｃに示されるように、偏光子層１８０８および１／４波長板層１８０９は、いずれも第１の領域および第２の領域をそれぞれ備えるものである。
　偏光子層１８０８の第１の領域１８０８1と第２の領域１８０８2は、１／４波長板層１８０９の第１の領域１８０９1と第２の領域１８０９2と、発光素子１８００の出射光について対応するように設けられている。
　偏光子層１８０８の第１の領域１８０８1は、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外を反射させる。偏光子層１８０８の第２の領域１８０８2は、第１の方向の偏光と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外を反射する。偏光子層１８０８で反射された光は、反射層１８０３で、偏光子層１８０８に向けて反射するが、このとき、角度を以って反射するために偏光子層１８０８における反射位置とは異なる位置に再入射する。このため、偏光子層１８０８の再入射光には、偏光子層１８０８を透過する光が存在する。
　１／４波長板層１８０９の第１の領域１８０９1および第２の領域１８０９2は、入射光の直交する２つの偏光成分に１／４波長分の位相差を与えて出射するもので、第１の領域と第２の領域はそれぞれ逆の符号の位相差を入射光の直交する２つの偏光成分に対して与える。
　上述したように、１／４波長板層１８０９の第１の領域１８０９1および第２の領域１８０９2には直交する直線偏光が入射するため、その出射光は同一の向きに回る円偏光に揃えられる。
　１／４波長板層１８１０は１／４波長板層１８０９が出射する円偏光の直交する２つの偏光成分に１／４波長分の位相差を与えて直線偏光として出射する。
　上記の発光素子１８００を構成する偏光子層１８０８の具体的な構成としては、図２、図３、図６、図７に示した構成とすることができる。また、１／４波長板層１８０９の具体的な構成としては、図１８ｄ、図１８ｅに示す構成とすることができる。
　図１８ｄ、図１８ｅに示す例では、石英である基板１８１０’、１８１０”の上に、SiO2とTiO2とが交互に積層された誘電体１８１１’、１８１１”が形成されている。誘電体１８１１’、１８１１”には、第１の領域１８０８1’、１８０８1”と第２の領域１８０８2’、１８０８2”が設けられている。
　第１の領域１８０８1’、１８０８1”と第２の領域１８０８2’、１８０８2”は、特開2001-51122号公報に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／４波長板として作用する。
　図１８ｄに示す例では、第１の領域と第２の領域とが縞状に配設され、図１８ｅに示す例では、第１の領域と第２の領域とが千鳥状に配設されている。
　また、発光素子１８００を用いた画像表示装置としては、図１２ないし図１７に示した構成とすることができる。
　また、本実施形態の発光素子１８００においても、図１０および図１１を用いて説明した相対周期と角度幅の関係は保たれる。
　本出願は、２００９年１０月２２日に出願された日本出願特願２００９－２４３３６７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１００　　発光素子
　１０１　　サブマウント
　１０２　　Ｐ型電極
　１０３　　反射層
　１０４　　Ｐ型半導体層
　１０５　　活性層
　１０６　　Ｎ型半導体層
　１０７　　Ｎ型電極
　１０８　　偏光子層
　１０９　　１／２波長板層

Claims (10)

  1. 光を発生する活性層を備える発光素子であって、
    　前記活性層にて発生した光のうち、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第１の領域と、前記第１の方向と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第２の領域と、を備える偏光子層と、
    　前記第１の領域と第２の領域より出射した光を入射し、同じ偏光状態の光として出射する第３の領域および第４の領域を備える波長板層と、
    　前記第１の領域および第２の領域で反射された光を反射する反射層と、を有することを特徴とする発光素子。
  2. 請求項１記載の発光素子において、
    　第１の領域と第２の領域、および、第３の領域と第４の領域は、縞状に隣接配置されていることを特徴とする発光素子。
  3. 請求項１記載の発光素子において、
    　第１の領域と第２の領域、および、第３の領域と第４の領域は、千鳥状に隣接配置されていることを特徴とする発光素子。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子において、
    　第３の領域および第４の領域は、入射光に異なる偏光回転角をそれぞれ与えて出射することを特徴とする発光素子。
  5. 請求項４記載の発光素子において、
    　第４の領域は入射光に対して第３の領域で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することを特徴とする発光素子。
  6. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子において、
    　第３の領域および第４の領域は、入射光の直交する２つの偏光成分に異なる位相差をそれぞれ与えて円偏光として出射することを特徴とする発光素子。
  7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発光素子において、
    　第１の領域と第２の領域の幅を加えたものをＰ、偏光子層の厚さ方向の中心と反射層の厚さ方向の中心の間の距離をＬ１、活性層の厚さ方向の中心から偏光子層の中心までの距離をＬ２、としたときに、
    　Ｐ／（２Ｌ１＋Ｌ２）が０．９から６．５の間であることを特徴とする発光素子。
  8. 請求項７記載の発光素子において、
    　Ｐ／（２Ｌ１＋Ｌ２）が１．２から４．５の間であることを特徴とする発光素子。
  9. 請求項７記載の発光素子において、
    　Ｐ／（２Ｌ１＋Ｌ２）が２．３であることを特徴とする発光素子。
  10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の発光素子を用いた画像表示装置。
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