发光元件和使用该发光元件的图像显示设备技术领域
本发明涉及发射线偏振光的发光元件及使用该发光元件的图像显示设
备。
背景技术
已经提出了将发光二极管(LED)用作发光元件的图像显示设备。此种
图像显示设备被构造为包括能发出红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的多个
LED、接收该多个LED发出的光的照明光学系统、接收来自照明光学系统
的光且具有液晶显示面板的光阀、将来自光阀的不同颜色的光合并的颜色
合并棱镜、用于将来自颜色合并棱镜的光投影到投影面的投影光学系统。
对于上述构造的图像显示设备，存在这样的要求：尽可能地防止从发
光元件到投影光学系统的光程中发生光学损耗以增加投影图像的亮度。
在以上描述的组件中，液晶显示面板和颜色合并棱镜具有偏振依赖
性。因此，从提高光学系统的效率的角度而言，希望每个发光元件都能发
出线性偏振光。
另外，如在非专利文献1中所描述的那样，由于集光率(etendue)由
发光元件的面积和辐射角的乘积决定，因此光学系统的效率受到限制。具
体地，从发光元件发出的光不被用作投射光，除非发光元件的面积与辐射
角的乘积的值不大于光阀的入射表面的面积与由照明光学系统的F数决定
的受光角的乘积。
因此，使用LED的图像显示设备需要解决的问题是增大每个发光元件
的亮度而不增加发光元件的面积以减少从发光元件发出的光的集光率。
针对上述构造的图像显示设备，还存在这样的要求：使屏幕上的光强
分布尽可能均匀，以限制投影图像中的亮度不均匀。
专利文献1(JP 2009-111012A)公开了一种半导体发光元件，其被设计
为发出具有大的偏振比的光，并且具有作为晶体生长主平面的非极性
(nonpolar)平面。
专利文献2(JP 2007-109689A)公开了一种发光元件，其被设计为减少
集光率并以很高的偏振转换效率发出线性偏振光，该发光元件具有位于基
准面上且发光的发光部分、位于发光部分的出射面那侧的λ/4相位板、位
于λ/4相位板的射出面那侧的反射式偏振片(该偏振片允许沿第一振动方
向的偏振光通过，并反射沿与第一振动方向垂直的第二振动方向的偏振
光)、位于反射式偏振片的射出面那侧的光学部分(在该部分中，在与基
准面平行的平面内的两个方向上的折射率周期性地发生变化)。
在该发光元件中，由反射式偏振片反射的光被位于发光部分的、与其
射出面相反那侧的反射电极反射，经过λ/4相位片射出并返回，使得振动
方向被改变90度，再次进入并通过该反射式偏振片。
在日本专利申请No.2009-243367中，本申请的申请人提出一种发
明，其中实现的发光元件具有高效率并发出能增加亮度的线性偏振光。
在日本专利申请No.2009-243367中提出的发光元件具有活性
(active)层(其中产生光)、偏振器层(具有第一区域和第二区域，第一
区域允许活性层产生的光中沿第一方向的偏振分量通过并反射其它偏振分
量，第二区域允许沿与第一方向垂直的第二方向的偏振分量通过并反射其
它偏振分量)、波长片层(具有第三和第四区域，这些区域接收来自第一
和第二区域的光并使接收的光作为相同偏振状态的光而射出)，以及反射
层(反射由第一和第二区域反射的光)。
在上述发光元件中，在活性层产生的光中，进入偏振器层第一区域
的、沿第一方向的偏振分量和进入第二区域的、沿第二方向的偏振分量通
过偏振器层，而进入偏振器层第一区域的、沿第二方向的偏振分量和进入
第二区域的、沿第一方向的偏振分量被偏振器层反射。被偏振器层反射的
光被反射层反射并再次进入偏振器层。此次的入射位置与之前的入射位置
不同。进入与之前的光所进入的区域不同的区域的光通过偏振器层。进入
与之前的光进入的区域相同的区域的光被偏振器层再次反射。通过重复此
操作，活性层产生的所有的光最终都通过偏振器层。通过偏振器层的第一
和第二区域的光分别通过波长片层的第三和第四区域以具有相同的偏振方
向。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP 2009-111012A
专利文献2：JP 2007-109689A
专利文献3：JP 2001-51122A
非专利文献
非专利文献1：SID 06 DIGEST，2006，pp.1808-1811，61.1，Photonic
Lattice LEDs for RPTV Light Engines，Christian Hoepfner
发明内容
技术问题
在专利文献1中描述的半导体发光元件具有非极性平面作为晶体生长
主平面，从而可以以较高的偏振比发光。然而，由于需要从具有普通极性
平面作为主平面的基板切去具有非极性平面作为主平面的基板，因此存在
一个问题，即不能增大基板的面积且生产率低下。
在专利文献2中描述的发光元件使用反射式偏振片和λ/4相位片来发
出线性偏振光。然而，由反射式偏振片反射的光和由反射电极反射的光部
分地被存在于反射式偏振片和反射电极之间的发光部分的射出面反射。因
此，存在这样的问题：如果计入伴随多重反射而发生的光衰减，则偏振转
换的效率低，很难提高亮度。
在日本专利申请No.2009-243367中提出的发光元件通过使用偏振器
层、波长片层和反射层发出线性偏振光，然而，与波长片层的光轴垂直的
偏振分量和与该光轴平行的偏振分量的透过率以及这些偏振分量之间的相
位差依赖于入射角，且与光轴垂直的平面内的入射角依赖性和与光轴平行
的平面内的入射角依赖性相互不同。因此，在与光轴垂直的平面和与光轴
平行的平面之间，从发光元件发出并进入光阀的光的分布特征变化，因此
产生了光非对称分布的特征。
因此，当用于图像显示设备时，屏幕上的光强分布不均匀，且在投影
图像中表现为亮度不均匀。
本发明是考虑到解决上述相关技术的问题而实现的，本发明的一个目
的是提供具有高效率、能提高亮度并发出线性偏振光的发光元件，其中，
光分布特征具有良好的对称性。
问题的解决方案
根据本发明的发光元件是一种具有产生光的活性层的发光元件，该发
光元件包括：
偏振器层，其具有第一区域和第二区域，第一区域允许活性层中产生
的光中沿第一方向的偏振分量通过并反射其它偏振分量，第二区域允许沿
第二方向(与第一方向垂直)的偏振分量通过并反射其它偏振分量；
波长片层，其具有从第一区域发出的光所进入的第三区域和第五区
域，以及从第二区域发出的光所进入的第四区域和第六区域，波长片层使
进入第三至第六区域内的光作为相同偏振状态的光射出；和
反射层，其反射被第一区域和第二区域反射的光，
其中，第三区域与第五区域的光轴方向互相垂直，或第四区域与第六
区域的光轴方向互相垂直。
根据本发明的图像显示设备使用具有上述构造的发光元件。
本发明的有益效果
在本发明的发光元件中，通过偏振器层的第一区域的第一方向偏振分
量通过波长片层的第三区域和第五区域，通过偏振器层的第二区域的第二
方向偏振分量通过波长片层的第四区域和第六区域。通过波长片层的第三
至第六区域的光具有相同的偏振方向。通过偏振器层的光通过波长片层，
而不是随后被反射。结果，提高了效率并增加了亮度。
与波长片层的光轴垂直的偏振分量和与该光轴平行的偏振分量的透过
率以及这些偏振分量之间的相位差依赖于入射角，且与光轴垂直的平面内
的入射角依赖性和与光轴平行的平面内的入射角依赖性相互不同。
然而，由于第三区域与第五区域、或第四区域与第六区域的光轴的方
向相互垂直，因此在与光轴垂直的平面和与光轴平行的平面之间，由通过
第三至第六区域并进入光阀的光的叠加所引起的光分布特征不会改变。也
就是说，其结果是光分布特征具有良好的对称性。因此，在用于图像显示
设备情况下，屏幕上的光强分布均匀，且不会发生投影图像的亮度不均匀
的情况。
附图说明
图1是示出根据本发明的发光元件的示例性实施例的构造的剖视图。
图2是示出图1中所示的偏振器层108的构造的示例的透视图。
图3是示出图1中所示的半波片层109的构造的示例的透视图。
图4是示出图1中所示的半波片层109的构造的另一个示例的透视
图。
图5是示出图1中所示的偏振器层108的构造的另一个示例的透视
图。
图6是示出图1中所示的半波片层109的构造的另一个示例的透视
图。
图7是示出图1中所示的半波片层109的构造的另一个示例的透视
图。
图8显示了示出计算入射光角度和半波片层透过率之间的关系的示例
的图。
图9显示了示出计算入射光角度和半波片层的相位差之间的关系的示
例的图。
图10显示了示出计算从发光元件发出并进入光阀的光的分布的特征
的示例的图。
图11示出了使用发光元件的光源单元的构造的图。
图12示出了计算光源单元的射出面上的光强分布的示例的图。
图13是示出使用根据本发明的发光元件的图像显示设备的示例性实
施例的构造的框图。
图14是示出使用根据本发明的发光元件的图像显示设备的另一个示
例性实施例的构造的框图。
图15是示出使用根据本发明的发光元件的图像显示设备的另一个示
例性实施例的构造的框图。
图16是示出用于图13中所示的图像显示设备的驱动系统的配置的
图。
图17是示出用于图14中所示的图像显示设备的驱动系统的配置的
图。
图18是示出用于图15中所示的图像显示设备的驱动系统的配置的
图。
图19是示出传统发光元件中的半波片层的构造的示例的透视图。
具体实施方式
将结合附图描述本发明的示例性实施例。
图1是示出根据本发明的发光元件100的示例性实施例的构造的剖视
图。发光元件100中的层的实际厚度非常小且各个层的厚度差异很大。因
此，很难在图中以正确的比例显示层。在附图中，因此，各层以示意图的
形式示出，并未按照比例。
P型电极102和反射层103在基块(sub-mount)101上形成。P型半导
体层104在反射层103上形成。活性层105在P型半导体层104上形成。
N型半导体层106在活性层105上形成。N型电极107和偏振器层108在
N型半导体层106上形成。半波片层109在偏振器层108上形成。
作为用于基块101的材料，例如可使用Si。作为用于P型电极102的
材料，例如可使用Ni/Au/Ti/Au。作为用于反射层103的材料，例如可使用
Ag。作为用于P型半导体层104的材料，例如可使用掺杂Mg的GaN。
对于活性层105，可使用多量子阱结构，其中，由GaN形成的层和由
InGaN形成的层例如一个在另一个纸上地交替放置。作为用于N型半导体
层106的材料，例如可使用掺杂Si的GaN。作为用于N型电极107的材
料，例如可使用Ti/Al/Ti/Au。
下面描述制作发光元件100的方法。首先，在基板上相继形成N型半
导体层106、活性层105、P型半导体层104和反射层103。其次，将反射
层103粘附到基块101上，然后除去基板。
接下来，在N型半导体层106上形成偏振器层108。通过另一处理来
制作半波片层109并将其粘附到偏振器层108上。最后，形成P型电极
102和N型电极107。
将概述当前示例性实施例的操作。在P型电极102和N型电极107之
间施加电压以使电流在二者之间流动，从而在活性层105产生光。活性层
105中产生的光包括沿各个方向行进的各种分量。
在活性层105产生且朝N型半导体层106行进的光通过N型半导体层
106并进入偏振器层108。在活性层105产生且向P型半导体层104行进的
光通过P型半导体层104，由反射层103反射，通过P型半导体层104、
活性层105和N型半导体层106并进入偏振器层108。
偏振器层108包括第一区域和第二区域。第一区域允许入射光中沿第
一方向的偏振分量通过，并反射其它偏振分量。第二区域允许入射光中沿
与第一方向垂直的第二方向的偏振分量通过，并反射其它偏振分量。也就
是说，在进入偏振器层108的光中，进入偏振器层第一区域的、沿第一方
向的偏振分量和进入第二区域的、沿第二方向的偏振分量通过偏振器层
108，而进入第一区域的、沿第二方向的偏振分量和进入第二区域的、沿
第一方向的偏振分量被偏振器层108反射。
被偏振器层108反射的光通过N型半导体层106、活性层105和P型
半导体层104，由反射层103反射，通过P型半导体层104、活性层105
和N型半导体层106，并再次进入偏振器层108。此时的入射位置与之前
的入射位置不同。在再次进入偏振器层108的光中，进入第一区域的、沿
第一方向的偏振分量和进入第二区域的、沿第二方向的偏振分量通过偏振
器层108，而进入第一区域的、沿第二方向的偏振分量和进入第二区域
的、沿第一方向的偏振分量被偏振器层108再次反射。通过重复此操作，
活性层中产生的所有的光最终都通过偏振器层。
半波片层109包括第三至第六区域。半波片层109的第三和第五区域
与偏振器层108的第一区域相对应，同时半波片层109的第四和第六区域
与偏振器层108的第二区域相对应。第三和第五区域允许入射光射出，并
给予预定的偏振旋转角度。第四和第六区域允许入射光射出，并给予下述
偏振旋转角度：该角度是在第三区域给予的偏振旋转角度上加90度和270
度而得到的。因此，通过半波片层109的第三至第六区域的光的偏振方向
相一致。
下面将描述偏振器层108和半波片层109的构造的具体示例。
图2是示出图1中所示的偏振器层108的构造的示例的透视图。
在图2所示的示例中，由多个金属纳米线(nanowire)202形成的偏振
器层在N型半导体层201上形成。作为用于金属纳米线202的材料，例如
可使用Al。偏振器层包括第一区域203和第二区域204，它们布置为条状
且彼此相邻。图中，第一区域203和第二区域204中的金属纳米线202的
纵长方向分别与Y轴方向和X轴方向对应。此偏振器允许与金属纳米线
202的纵长方向垂直的入射光偏振分量通过，并反射与纳米线202的纵长
方向平行的入射光偏振分量。在进入第一区域203的光中，沿X轴方向的
偏振分量被允许通过。该光中沿Y轴方向的偏振分量被反射。在进入第二
区域204的光中，沿Y轴方向的偏振分量被允许通过。该光中沿X轴方向
的偏振分量被反射。
图3是示出图1中所示的半波片层109的构造的一种示例的透视图。
在图3所示的示例中，由电介质302形成的半波片层(其中高折射率
层和低折射率层交替地一个布置在一个上)在基板301上形成。作为用于
基板301的材料，例如可使用石英。作为用于电介质302中的高折射率层
和低折射率层的材料，例如可分别使用Nb2O5和SiO2。半波片层包括第一
区域303、第二区域304、第三区域305和第四区域306，它们被布置为条
状且彼此相邻。半波片层的第一区域303和第三区域305与图2中所示的
偏振器层的第一区域203相对应地设置，半波片层的第二区域304和第四
区域306与图2中所示的偏振器层的第二区域204相对应地设置。
第一区域303和第三区域305在X-Y平面中都不包括周期性突起/凹
下结构，不具有半波片层的功能。另一方面，第二区域304和第四区域
306都包括对于X-Y平面内预定方向的周期性突起/凹下结构，都不包括对
于与该预定方向垂直的方向的周期性突起/凹下结构，并起到半波片层的作
用，如JP 2001-51122A中公开的那样。第二区域304和第四区域306内的
突起/凹下结构的纵长方向(光轴的方向)分别相对于图中的X轴成45度和
135度角。半波片层给予入射光在与光轴垂直的偏振分量和与光轴平行的
偏振分量之间的180度的相位差。
因此，进入第一区域303和第三区域305且偏振方向与X轴方向相对
应的线性偏振光在第一区域303和第三区域305内不被给予任何偏振旋转
角度。该光从第一区域303和第三区域305射出，未发生变化，仍是线性
偏振光，其偏振方向与X轴方向相对应。进入第二区域304且偏振方向与
Y轴方向相对应的线性偏振光在第二区域304被给予90度的偏振旋转角
度，并作为线性偏振光从第二区域304射出，其偏振方向与X轴方向相对
应。进入第四区域306且偏振方向与Y轴方向相对应的线性偏振光在第四
区域306被给予270度的偏振旋转角度，并作为线性偏振光从第四区域
306射出，其偏振方向与X轴方向相对应。结果，通过第一区域303至第
四区域306的光的偏振方向彼此相一致。
图4是示出图1中所示的半波片层109的构造的另一个示例的透视
图。
在图4所示的示例中，由电介质402(其中，高折射率层和低折射率
层交替地一个放置在一个上)形成的半波片层在基板401上形成。作为用
于基板401的材料，例如可使用石英。作为用于电介质402中高折射率层
和低折射率层的材料，例如可分别使用Nb2O5和SiO2。半波片层包括第一
区域403、第二区域404、第三区域405和第四区域406，它们呈条状且相
邻布置。半波片层的第一区域403和第三区域405与图2中所示的偏振器
层的第一区域203相对应，半波片层的第二区域404和第四区域406与图
2中所示的偏振器层的第二区域204相对应。
第一区域403至第四区域406都包括对于X-Y平面内预定方向的周期
性突起/凹下结构，不包括对于与该预定方向垂直的方向的任何周期性突起
/凹下结构，并起到半波片层的作用，如JP 2001-51122A中公开的那样。
第一区域403、第二区域404、第三区域405和第四区域406内的突起/凹
下结构的纵长方向(光轴的方向)与图中的X轴分别成22.5度角、67.5度
角、112.5度角和157.5度角。半波片层给予入射光在与光轴垂直的偏振分
量和与光轴平行的偏振分量之间的180度的相位差。
因此，进入第一区域403且偏振方向与X轴方向相对应的线性偏振光
在第一区域403内被给予45度的偏振旋转角度，并作为线性偏振光从第
一区域403射出，其偏振方向与X轴形成45度角。进入第三区域405且
偏振方向与X轴方向相对应的线性偏振光在第三区域405内被给予225度
的偏振旋转角度，并作为线性偏振光从第三区域405射出，其偏振方向与
X轴形成225度角(45度)。进入第二区域404且偏振方向与Y轴方向相对
应的线性偏振光在第二区域404内被给予135度的偏振旋转角度，并作为
线性偏振光从第二区域404射出，其偏振方向与X轴形成225度角(45
度)。进入第四区域406且偏振方向与Y轴方向相对应的线性偏振光在第
四区域406内被给予315度的偏振旋转角度，并作为线性偏振光从第四区
域406射出，其偏振方向与X轴形成405度角(45度)。结果，通过第一区
域403至第四区域406的光的偏振方向相一致。
图5是示出图1中所示的偏振器层108的构造的另一个示例的透视
图。
在图5所示的示例中，由多个金属纳米线502形成的偏振器层在N型
半导体层501上形成。作为用于金属纳米线502的材料，例如可使用Al。
偏振器层包括第一区域503和第二区域504，它们彼此相邻且交错排列。
第一区域503和第二区域504内的金属纳米线502的纵长方向分别与Y轴
方向和X轴方向对应，如图所示。该偏振器允许与金属纳米线502的纵长
方向垂直的入射光偏振分量通过，并反射与金属纳米线502的纵长方向平
行的入射光偏振分量。在进入第一区域503的光中，沿X轴方向的偏振分
量被允许通过。所述光中沿Y轴方向的偏振分量被反射。在进入第二区域
504的光中，沿Y轴方向的偏振分量被允许通过。所述光中沿X轴方向的
偏振分量被反射。
图6是示出图1中所示的半波片层109的构造的另一个示例的透视
图。
在图6所示的示例中，由电介质602(其中，高折射率层和低折射率
层交替地一个放置在一个上)形成的半波片层在基板601上形成。作为用
于基板601的材料，例如可使用石英。作为用于电介质602中高折射率层
和低折射率层的材料，例如可分别使用Nb2O5和SiO2。半波片层包括第一
区域603、第二区域604、第三区域605和第四区域606，它们交错排列且
彼此相邻。半波片层的第一区域603和第三区域605与图5中所示的偏振
器层的第一区域503相对应，半波片层的第二区域604和第四区域606与
图5中所示的偏振器层的第二区域504相对应。
第一区域603和第三区域605在X-Y平面内都不包括周期性突起/凹
下结构，不起到半波片层的作用。另一方面，第二区域604和第四区域
606，都包括对于X-Y平面内预定方向的周期性突起/凹下结构，都不包括
对于与该预定方向垂直的方向的任何周期性突起/凹下结构，并起到半波片
层的作用，如JP 2001-51122A中公开的那样。图中，第二区域604和第四
区域606内的突起/凹下结构的纵长方向(光轴的方向)分别与X轴成45度
角和135度角。半波片层给予入射光在与光轴垂直的偏振分量和与光轴平
行的偏振分量之间的180度的相位差。
因此，进入第一区域603和第三区域605且偏振方向与X轴方向相对
应的线性偏振光在第一区域303和第三区域305内未被给予任何偏振旋转
角度。从第一区域603和第三区域605射出的光未发生改变，仍是线性偏
振光，其偏振方向与X轴方向相对应。进入第二区域604且偏振方向与Y
轴方向相对应的线性偏振光在第二区域604内被给予90度的偏振旋转角
度，并作为线性偏振光从第二区域604射出，其偏振方向与X轴方向相对
应。进入第四区域606且偏振方向与Y轴方向相对应的线性偏振光在第四
区域606内被给予270度的偏振旋转角度，并作为线性偏振光从第四区域
606射出，其偏振方向与X轴方向相对应。结果，通过第一区域603至第
四区域606的光的偏振方向相一致。
图7是示出图1中所示的半波片层109的构造的另一个示例的透视
图。
在图7所示的示例中，由电介质702(其中，高折射率层和低折射率
层交替地一个放置在一个上)形成的半波片层在基板701上形成。作为用
于基板701的材料，例如可使用石英。作为用于电介质702中高折射率层
和低折射率层的材料，例如可分别使用Nb2O5和SiO2。半波片层包括第一
区域703、第二区域704、第三区域705和第四区域706，它们交错排列且
彼此相邻。半波片层的第一区域703和第三区域705与图5中所示的偏振
器层的第一区域503相对应，半波片层的第二区域704和第四区域706与
图5中所示的偏振器层的第二区域504相对应。
第一区域703至第四区域706都包括对于X-Y平面内预定方向的周期
性突起/凹下结构，都不包括对于与该预定方向垂直的方向的任何周期性突
起/凹下结构，并起到半波片层的作用，如JP 2001-51122A中公开的那
样。第一区域703、第二区域704、第三区域705和第四区域706内的突
起/凹下结构的纵长方向(光轴的方向)与图中的X轴分别成22.5度角、67.5
度角、112.5度角和157.5度角。该半波片层给予入射光在与光轴垂直的偏
振分量和与光轴平行的偏振分量之间的180度的相位差。
因此，进入第一区域703且偏振方向与X轴方向相对应的线性偏振光
在第一区域703内被给予45度的偏振旋转角度，并作为线性偏振光从第
一区域703射出，其偏振方向与X轴方向形成45度角。进入第三区域705
且偏振方向与X轴方向相对应的线性偏振光在第三区域705内被给予225
度的偏振旋转角度，并作为线性偏振光从第三区域705射出，其偏振方向
与X轴方向形成225度角(45度)。进入第二区域704且偏振方向与Y轴方
向相对应的线性偏振光在第二区域704内被给予135度的偏振旋转角度，
并作为线性偏振光从第二区域704射出，其偏振方向与X轴形成225度角
(45度)。进入第四区域706且偏振方向与Y轴方向相对应的线性偏振光在
第四区域706内被给予315度的偏振旋转角度，并作为线性偏振光从第四
区域706射出，其偏振方向与X轴形成405度角(45度)。结果，通过第一
区域703至第四区域706的光的偏振方向相一致。
在偏振器层108的第一区域和第二区域以及1/2偏振片层109的第一
区域至第四区域被如图2至图4中所示布置为彼此相邻的条状的情况下，
可很容易地在X-Y平面内的偏振器层108和半波片层之间进行对准。
在偏振器层108的第一区域和第二区域以及1/2偏振片层109的第一
至第四区域被布置为如图5至7中所示的以交错的形式彼此相邻的情况
下，发光元件100的发射面上的光强分布的非均匀性对屏幕上的光强分布
的不均匀性的影响可被降低。
下面说明半波片层内与光轴垂直的偏振分量和与光轴平行的偏振分量
的透过率以及这些分量之间的相位差。考虑把图3中所示的第二区域304
和第四区域306的构造作为半波片的构造。假定入射光的波长为450nm。
假定高折射率层和低折射率层的材料分别为Nb2O5和SiO2。假定这些层中
每一个层的厚度为84nm；每种层的总数为16；X-Y平面内的突起/凹下结
构的周期为160nm。在此条件下计算透过率和相位差的入射角相关性。
图8显示的示例图示出了所计算的半波片层内入射光角度和透过率之
间的关系。图8(a)中示出了在与光轴垂直的平面中的入射光角度被改变时
进行计算的示例。图8(b)中示出了在与光轴平行的平面中的入射光角度被
改变时进行计算的示例。图中的横轴代表入射光角度，而纵轴代表的透过
率是与光轴垂直的偏振分量和与光轴平行的偏振分量的平均值。
当入射光角度为0度时，透过率基本上为1。在与光轴垂直的平面
内，当入射光角度超过50度时，透过率急剧下降。相比之下，在与光轴
平行的平面内，即使当入射光角度接近90度时，透过率也不会大幅下
降。
图9显示的示例图示出了计算半波片层内入射光角度和相位差之间的
关系。在图9(a)中示出了在与光轴垂直的平面中的入射光角度被改变时进
行进行计算的示例。在图9(b)中示出了在与光轴平行的平面中的入射光角
度被改变时进行计算的示例。图中的横轴代表入射光角度，而纵轴代表与
光轴垂直的偏振分量和与光轴平行的偏振分量之间的相位差。
当入射光角度为0度时，相位差基本上为180度。在与光轴垂直的平
面内，当入射光角度超过30度时相位差急剧变化，且当入射光角度大约
为45度时相位差达到360度。相比之下，在与光轴平行的平面内，即便
当入射光角度接近90度时，相位差也不会发生很大变化，大约保持在270
度。
如果透过率为T且相位差为δ，从发光元件发出、通过半波片层并进
入光阀的光的效率(以下称为半波片层的效率)由Tsin2(δ/2)表达。当入射光
角度为0度时，效率基本上为1。在与光轴垂直的平面内，随着入射光角
度增大，效率降低，且当入射光角度大约为45度时效率基本上变为零。
相比之下，在与光轴平行的平面内，即便当入射光角度接近90度时，效
率也不会大幅降低，大约为0.5。
如果从LED发出的光的角度为θ，则从LED发出的光的强度的角度
依赖性通常由cosθ表达。因此，如果考虑半波片层的效率，则从使用半波
片层的发光元件发出的光的强度的角度依赖性如下所述。在与光轴垂直的
平面内，由于当θ大约为45度时光强基本上为0，因此光强可通过cos2θ
而非cosθ来近似。相比之下，在与光轴平行的平面内，由于即便当θ接近
90度时光强也比cosθ低得多，因此光强可通过cosθ来近似。
下面将针对对称的光分布特征和屏幕上的光强分布对使用日本专利申
请No.2009-243367中提出的发光元件的情况和使用本发明的发光元件的
情况进行比较。考虑图19中所示的作为用于日本专利申请No.2009-
243367中提出的发光元件的半波片层。在图19所示的示例中，由电介质
1902形成的半波片层在基板1901上形成。半波片层具有第一区域1903和
第二区域1904，它们布置为彼此相邻的条状。第一区域1903不具有半波
片的功能。第二区域1904具有半波片的功能。第二区域1904内的光轴的
方向与图中的X轴成45度角。关注通过第二区域1904的光。另一方面，
考虑图3中所示的作为用于本发明的发光元件的半波片层。关注通过第二
区域304和第四区域306的光。
图10示出了计算从发光元件发出并进入光阀的光的分布特征的示例
的图。在图10(a)中示出了在使用图19中所示的半波片层的情况下进行计
算的示例。在图10(b)中示出了在使用图3中所示的半波片层的情况下进行
计算的示例。图中的水平方向和垂直方向分别与沿X轴方向和沿Y轴方向
的部分内的光的角度对应，且图示范围为-90°≤θX≤+90°和-90°≤θY≤+90°。
在图中，与光的角度相对应的光的强度由等强度轮廓线来指示。
在使用图19中所示的半波片层的情况下，如图10(a)中所示，在图中
与θX轴成135度角的方向上的部分内的光的强度(与光轴垂直的平面内)由
cos2θ给出，而在图中与θX轴成45度角的方向上的部分内的光的强度(与
光轴平行的平面内)由cosθ给出。因此，在θX＜0且θY＜0的区域以及θX＞0
且θY＞0的区域内的光强较高，而在θX＜0且θY＞0的区域以及θX＞0且θY＜0
的区域内的光强较低，得出的光分布特征呈现出不良的对称性。
另一方面，在使用图3中所示的半波片层情况下，通过第二区域304
并进入光阀的光的强度与图10(a)中所示的光的强度相同，通过第四区域
306并进入光阀的光的分布特征与将图10(a)中所示的θX-θY平面内光分布
特征旋转90度得出的结果相符。因此，通过叠加这两种光，可将图中与
θX轴成135度角的方向上的部分内的光的强度与图中θX轴成45度角的方
向上的部分内的光的强度平均，如图10(b)所示。结果，θX＜0且θY＜0的区
域、θX＞0且θY＞0的区域、θX＜0且θY＞0区域以及θX＞0且θY＜0的区域内的
光的强度彼此相等，得出的光分布特征具有良好的对称性。
图11示出了使用发光元件的光源单元的构造的图。图11由(a)中的平
面图和(b)中的侧视图组成。在图像显示设备中，通常使用多个发光元件以
便增加投影图像的亮度。另外，可使用柱形积分器(rod integrator)将从
多个发光元件发出的光合并，提高屏幕上的光强分布的均匀性。在这种情
况下，通过使用四个发光元件1101至1104和柱形积分器1105来构造光源
单元。
如果柱形积分器在X-Y平面具有W×W的尺寸，长度为L，且折射
率为n，则有W＝LtanΦ(Φ＝sin-1(1/n))。另外，如果柱形积分器1105的中心
与原点对应，则四个发光元件1101至1104在X-Y平面内的中心在X＝±
W/4，Y＝±W/4的位置。柱形积分器1105在射出面上叠加从入射面的任意
点发出的光以提高射出面上的光强分配的均匀性。可选择四个发光元件
1101至1104的中心作为入射面上的点的代表，且当从四个发光元件1101
至1104的中心发出的光在射出面上被彼此叠加时，计算射出面上的光强
的分配。
图12示出了计算光源单元的射出面上的光强分布的示例的图。在图
12(a)中示出了在使用图19中所示的半波片层的情况下进行计算的示例。
在图12(b)中示出了在使用图3中所示的半波片层的情况下进行计算的示
例。图中的水平方向和垂直方向分别与X轴方向和Y轴方向上的位置相对
应，且指示范围为-W/2≤X≤+W/2和-W/2≤Y≤+W/2。在图中，与位置相对
应的光的强度由等强度轮廓线表示。
在使用图19中所示的半波片层的情况下，如图12(a)中所示，在图中
与θX轴成135度角的方向上的部分内的光的强度较弱(与光轴垂直的平面
内)，而在图中与θX轴成45度角的方向上的部分内的光的强度较强(与光
轴平行的平面内)。因此，在X＜0且Y＜0的区域以及X＞0且Y＞0的区域内
的光强较高，而在X＜0且Y＞0的区域以及X＞0且Y＜0的区域内的光强较
低，得出的光强分布的均匀性程度很低。
另一方面，在使用图3中所示的半波片层情况下，通过第二区域304
的光在光源单元的射出面上的强度分布与图12(a)中所示的强度分布相同，
通过第四区域306的光在光源单元的射出面上的强度分布与将图12(a)中所
示的X-Y平面内的光强分布特性转动90度得出的结果相符。因此，通过
将这两种光互相叠加，图中与X轴成135度角的方向上的部分内的光的强
度以及图中与X轴成45度角的方向上的部分内的光的强度被平均，如图
12(b)所示。因此，在X＜0且Y＜0的区域、X＞0且Y＞0的区域、X＜0且
Y＞0的区域以及X＞0且Y＜0的区域内的光的强度彼此相等，得出的光强
分布具有良好的均匀度。
假定在图像显示设备中，光源单元的射出面上-3W/8≤X≤+3W/8以
及-3W/8≤Y≤+3W/8的区域通过聚光透镜成像到光阀上，并通过投影透镜
进一步成像到屏幕上。在使用图19中所示的半波片层情况下，通过用屏
幕上的光强的标准偏差σ除以光强的平均值μ而计算出的值为0.242，而
在使用图3中所示的半波片层情况下计算出的值为0.014。如果σ/μ的值减
小，则屏幕上的光强分布的均匀性提高，投影图像的亮度不均匀性受到限
制。
对于使用图19中所示的半波片层的情况，注意了通过第二区域1904
的光。但是事实上需要注意包括了通过第一区域1903的光的光。通过第
一区域1903的光在光源单元的射出面上的光强分布大致是均匀的。因
此，如果将包括此光的光考虑在内，σ/μ的值大约为0.242的一半。
对于使用图3中所示的半波片层的情况，考虑了通过第二区域304和
第四区域306的光。但是事实上不需要考虑包括通过第一区域303和第三
区域305的光的光。通过第一区域303和第三区域305的光在光源单元的
射出面上的光强分布大致是均匀的。因此，如果将包括此光的光考虑在
内，σ/μ的值大约为0.014的一半。
如以上描述的那样，在使用日本专利申请No.2009-243367中提出的
发光元件和图19中所示的半波片层的情况下，存在这样的可能性：屏幕
上的光强分布是不均匀的，这取决于光分布特征的对称性，因此在投影图
像中可能出现亮度不均匀的情况。相比之下，在包括本发明的发光元件的
图像显示设备中使用图3中所示的半波片层的情况下，屏幕上的光强分布
很均匀，且投影图像中几乎不会发生亮度不均匀的情况，因为该发光元件
的光分布特征具有良好的对称性。
已针对在本发明的发光元件中使用图3中所示的半波片层的情况进行
了描述。很容易理解，因为半波片层具有两个光轴相互垂直的区域，所以
在使用图4、6或7中所示的半波片层的情况下均能获得同样的效果。
图13是示出使用根据本发明的发光元件的图像显示设备的示例性实
施例的构造的框图。本示例性实施例的图像显示设备通过使用分别由多个
像素形成的液晶显示装置1303R、1303G和1303B来形成图像。每个像素
具有液晶分子，这些分子的定向可被分别控制。
图13中所示的图像显示设备具有生成红光的光源单元1301R、生成绿
光的光源单元1301G和生成蓝光的光源单元1301B。每个光源单元包括四
个根据本发明的发光元件以及柱形积分器，如以上参考图11所描述的那
样。
光源单元1301R中产生的红光通过聚光透镜1302R被施加到显示红色
图像的液晶显示装置1303R。这样在液晶显示装置1303R中产生的红色图
像光进入颜色合并棱镜1304。
光源单元1301G中产生的绿光通过聚光透镜1302G被施加到显示绿色
图像的液晶显示装置1303G。这样在液晶显示装置1303G中产生的绿色图
像光进入颜色合并棱镜1304。
光源单元1301B中产生的蓝光通过聚光透镜1302B被施加到显示蓝色
图像的液晶显示装置1303B。这样在液晶显示装置1303B中产生的蓝色图
像光进入颜色合并棱镜1304。
进入颜色合并棱镜1304中的红色图像光、绿色图像光和蓝色图像光
在颜色合并棱镜1304中被合并，被合并的图像光通过投影透镜1305被投
影到屏幕上。
与具有相似构造并使用未将发出的光的偏振均匀化的光源单元的图像
显示设备相比，由于在液晶显示装置1303R、1303G和1303B中未造成
50％的光学损耗，因此本示例性实施例的图像显示设备能够将亮度加倍。
图14是示出使用根据本发明的发光元件的图像显示设备的示例性实
施例的构造的框图。本示例性实施例的图像显示设备通过使用由多个像素
形成的微镜(micromirror)装置1404来形成图像，每个像素均具有微镜，
其角度可被分别控制。
图14中所示的图像显示设备具有生成红光的光源单元1401R、生成绿
光的光源单元1401G和生成蓝光的光源单元1401B。每个光源单元包括四
个根据本发明的发光元件以及柱形积分器，如以上参考图11所描述的那
样。
光源单元1401R中产生的红光通过聚光透镜1402R进入颜色合并棱镜
1403。光源单元1401G中产生的绿光通过聚光透镜1402B进入颜色合并棱
镜1403。光源单元1401B中产生的蓝光通过聚光透镜1402B进入颜色合
并棱镜1403。
可对光源单元1401R、光源单元1401G和光源单元1401B进行控制以
使各个颜色的发光状态被连续地改变。红光、绿光和蓝光从颜色合并棱镜
1403被相继地施加到微镜装置1404。
微镜装置1404根据相继施加到其上的颜色显示图像。从而在微镜装
置1404中产生的红色图像光、绿色图像光和蓝色图像光通过投影透镜
1405依次被投影到屏幕上。
颜色合并棱镜1403反射红光的所有S偏振分量，允许绿光的所有P
偏振分量通过，并反射蓝光的所有S偏振分量。然而，颜色合并棱镜1403
只反射红光的P偏振分量的一部分，只允许绿光的S偏振分量的一部分通
过，且只反射蓝光的P偏振分量的一部分。
因此，如果从光源单元发出的光的偏振不均匀，则颜色合并棱镜1403
中的红光、绿光和蓝光各自的这些偏振分量之一发生光学损耗，而另一个
偏振分量不发生光学损耗。
相比之下，在从光源单元发出的光为线性偏振光的情况下，如果进入
颜色合并棱镜1403的红光为S偏振光、绿光为P偏振光，而蓝光为S偏
振光，则颜色合并棱镜1403中的红光、绿光和蓝光内均不会发生光学损
耗。
也就是说，由于颜色合并棱镜1403中未发生光学耗损，因此与具有
相似构造且使用未将发出的光的偏振均匀化的光源单元的图像显示设备相
比，本示例性实施例的图像显示设备能提高亮度。
图15是示出使用根据本发明的发光元件的图像显示设备的另一个示
例性实施例的构造的框图。本示例性实施例的图像显示设备通过使用由多
个像素形成的微镜装置1505来形成图像，每个像素均具有微镜，其角度
可被分别控制。
图15中所示的图像显示设备具有生成红光的光源单元1501RP和
1501RS、生成绿光的光源单元1501GP和1501GS以及生成蓝光的光源单
元1501BP和1501BS。每个光源单元均包括四个根据本发明的发光元件以
及柱形积分器，如以上参考图11所描述的那样。
光源单元1501RP和1501RS中产生的红光分别作为P偏振光和S偏振
光进入偏振分束器1502R。偏振分束器1502R允许P偏振光通过，并反射
S偏振光。因此，在光源单元1501RP和1501RS中产生的红光在偏振分束
器1502R中被合并。合并的红光通过聚光透镜1503R进入颜色合并棱镜
1504。
光源单元1501GP和1501GS中产生的绿光分别作为P偏振光和S偏
振光进入偏振分束器1502G。偏振分束器1502G允许P偏振光通过，并反
射S偏振光。因此，在光源单元1501GP和1501GS中产生的绿光在偏振
分束器1502G中被合并。合并的绿光通过聚光透镜1503G进入颜色合并棱
镜1504。
光源单元1501BP和1501BS中产生的蓝光分别作为P偏振光和S偏振
光进入偏振分束器1502B。偏振分束器1502B允许P偏振光通过，并反射
S偏振光。因此，在光源单元1501BP和1501BS中产生的蓝光在偏振分束
器1502B中被合并。合并的蓝光通过聚光透镜1503B进入颜色合并棱镜
1504。
可对光源单元1501RP和1501RS、光源单元1501GP和1501GS以及
光源单元1501BP和1501BS进行控制以使各个颜色的发光状态可相继被改
变。红光、绿光和蓝光从颜色合并棱镜1504被相继地施加到微镜装置
1505。
微镜装置1505根据相继施加到其上的颜色显示图像。从而在微镜装
置1505中产生的红色图像光、绿色图像光和蓝色图像光通过投影透镜
1506被依次投影到屏幕上。
如果从光源单元发出的光的偏振不均匀，则即便光源单元的数量与具
有图14中所示的构造的图像显示设备相比已加倍，亮度也不能被提高，
因为在偏振分束器中发生了50％的光学损耗。
相比之下，在从光源单元发出的光为线性偏振光的情况下，由于在偏
振分束器中未发生50％的光学损耗，因此与具有图14中所示的构造的图
像显示设备相比，由于光源单元的数量加倍，则亮度可被加倍。
图16是示出用于图13中所示的图像显示设备的驱动系统的配置的
图。
驱动电路1602R、1602G和1602B分别驱动光源单元1301R、1301G
和1301B。因此，在图像显示操作过程中光源单元1301R、1301G和
1301B总是保持发光状态。光源单元1301R、1301G和1301B也可以由一
个驱动电路来驱动。
图像信号处理电路1601根据由外部个人电脑(PC)、图像再现设备等提
供的输入图像信号产生用于显示红色图像、绿色图像和蓝色图像的信号，
并将这些信号提供给驱动电路1603R、1603G和1603B。
驱动电路1603R、1603G和1603B通过由图像信号处理电路1601提
供的信号分别驱动液晶显示装置1303R、1303G和1303B。从而液晶显示
装置1303R、1303G和1303B分别显示红色图像、绿色图像和蓝色图像。
图17是示出用于图14中所示图像显示设备的驱动系统的配置的图。
图像信号处理电路1701根据由外部个人电脑(PC)、图像再现设备等提
供的输入图像信号产生用于显示红色图像、绿色图像和蓝色图像的信号，
并将这些信号一个接一个地提供给驱动电路1703。
在将用于显示红色图像的信号提供给驱动电路1703的同时，图像信
号处理电路1701产生用于产生红光的信号，并将此信号提供给驱动电路
1702R。在将用于显示绿色图像的信号提供给驱动电路1703的同时，图像
信号处理电路1701产生用于产生绿光的信号，并将此信号提供给驱动电
路1702G。在将用于显示蓝色图像的信号提供给驱动电路1703的同时，
图像信号处理电路1701产生用于产生蓝光的信号，并将此信号提供给驱
动电路1702B。
驱动电路1703通过由图像信号处理电路1701提供的信号驱动微镜装
置1404。从而微镜装置1404依次显示红色图像、绿色图像和蓝色图像。
驱动电路1702R、1702G和1702B通过由图像信号处理电路1701提
供的信号分别驱动光源单元1401R、1401G和1401B。当微镜装置1404显
示红色图像时，光源单元1401R从而被照亮；当微镜装置1404显示绿色
图像时，光源单元1401G从而被照亮；而当微镜装置1404显示蓝色图像
时，光源单元1401B被照亮。
图18是示出用于图15中所示图像显示设备的驱动系统的配置的图。
图像信号处理电路1801根据由外部个人电脑(PC)、图像再现设备等提
供的输入图像信号产生用于显示红色图像、绿色图像和蓝色图像的信号，
并将这些信号一个接一个提供给驱动电路1803。
在将用于显示红色图像的信号提供给驱动电路1803的同时，图像信
号处理电路1801产生用于产生红光的信号，并将此信号提供给驱动电路
1802RP和1802RS。在将用于显示绿色图像的信号提供给驱动电路1803的
同时，图像信号处理电路1801产生用于产生绿光的信号，并将此信号提
供给驱动电路1802GP和1802GS。在将用于显示蓝色图像的信号提供给驱
动电路1803的同时，图像信号处理电路1801产生用于产生蓝光的信号，
并将此信号提供给驱动电路1802BP和1802BS。
驱动电路1803通过由图像信号处理电路1801提供的信号驱动微镜装
置1505。从而微镜装置1505依次显示红色图像、绿色图像和蓝色图像。
驱动电路1802RP、1802RS、1802GP、1802GS、1802BP和1802BS通
过由图像信号处理电路1801提供的信号分别驱动光源单元1501RP、
1501RS、1501GP、1501GS、1501BP和1501BS。当微镜装置1505显示红
色图像时，光源单元1501RP和1501RS从而被照亮；当微镜装置1505显
示绿色图像时，光源单元1501GP和1501GS被照亮；当微镜装置1505显
示蓝色图像时，光源单元1501BP和1501BS被照亮。
本申请基于并要求2010年3月11日提交的日本专利申请No.2010-
054428的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
标号说明
100发光元件
101基块
102P型电极
103反射层
104P型半导体层
105活性层
106N型半导体层
107N型电极
108偏振器层
109半波片层