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WO2011048952A1 - 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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WO2011048952A1
WO2011048952A1 PCT/JP2010/067542 JP2010067542W WO2011048952A1 WO 2011048952 A1 WO2011048952 A1 WO 2011048952A1 JP 2010067542 W JP2010067542 W JP 2010067542W WO 2011048952 A1 WO2011048952 A1 WO 2011048952A1
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WO
WIPO (PCT)
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light
layer
light emitting
beam splitter
emitting element
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/067542
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
片山　龍一
Original Assignee
日本電気株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 日本電気株式会社 filed Critical 日本電気株式会社
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Priority to US13/503,212 priority patent/US8866172B2/en
Priority to CN201080047464.8A priority patent/CN102576792B/zh
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/44—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
    • H01L33/465—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector with a resonant cavity structure
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/40—Materials therefor
    • H01L33/405—Reflective materials

Definitions

  • An N-type electrode 107 made of Ti / Al / Ti / Au and a reflective layer 108 made of Ag are formed on the N-type semiconductor layer 106, and polarizing beam splitter layers 109 and 1 are further formed on the reflective layer 108.
  • a / 2 wavelength plate layer 110 is provided.
  • 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 reflective layer 108 is formed on the N-type semiconductor layer 106. The polarizing beam splitter layer 109 and the half-wave plate layer 110 are formed by separate processes and are bonded onto the reflective layer 108. Finally, a P-type electrode 102 and an N-type electrode 107 are formed.
  • the polarizing beam splitter layer 109 is provided with a polarizing diffraction grating 111 in a region corresponding to the exit portion of the reflective layer 108.
  • the half-wave plate layer 110 is provided with a half-wave plate 112 in a region corresponding to the reflective portion of the reflective layer 108.
  • a plurality of elongated reflecting members 202 made of Ag are formed in parallel on an N-type semiconductor layer 201 made of Si-doped GaN. A portion where the reflecting member 202 is provided becomes a reflecting portion, and a portion where the reflecting member 202 is not provided becomes an emitting portion.
  • a dielectric 502 in which SiO 2 and TiO 2 are alternately laminated is formed on a substrate 501 made of quartz.
  • the portion where the half-wave plate 503 shown in FIG. 5 is provided corresponds to the reflective portion of the reflective layer 108, and the flat portion where the half-wave plate 503 is not provided corresponds to the output portion of the reflective layer 108. .
  • FIG. 9 is an enlarged view of a portion where the polarizing diffraction grating 803 is provided.
  • the polarizing diffraction gratings 803 those in which the grating direction is the Y direction have a dielectric 902 in which SiO 2 and TiO 2 are alternately stacked on a substrate 901 made of quartz.
  • the polarizing diffraction grating 803 has a periodic concavo-convex shape in one direction with respect to the flatly formed A region and the XY plane as disclosed in JP-A-2001-51122, and is orthogonal thereto. In this direction, B regions having a periodic structure that is uniform are provided alternately, and function as a polarization-dependent phase diffraction grating.
  • FIG. 10 is a perspective view showing another configuration example of the half-wave plate layer 110 in FIG. 1, and FIG. 11 is a perspective view showing the configuration more specifically.
  • the device when the reflecting member 202, the polarizing diffraction grating 303, and the half-wave plate 503 are arranged in a striped pattern, the device can be easily manufactured.
  • the reflecting member 702 when the reflecting member 702, the polarizing diffraction grating 803, and the half-wave plate 1003 are arranged in a staggered manner, the light spreads in the X direction and in the Y direction.
  • the light spreading method is the same, and the illumination light can be made more uniform and easier to handle.
  • FIG. 14 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 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 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. 15 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 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.
  • the image display device of the present 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 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. 18 is a diagram showing a configuration of a drive system of the image display apparatus shown in FIG.
  • the structure which provided the quarter wavelength plate layer instead of the half wavelength plate layer 110 is also possible.
  • the quarter wavelength plate layer is provided with a quarter wavelength plate in a region corresponding to the reflective portion of the reflective layer 108 and a region corresponding to the emitting portion.
  • These quarter-wave plates emit a phase difference corresponding to a quarter wavelength of two orthogonal polarization components of incident light, and are provided in a region corresponding to the reflective portion of the reflective layer 108.
  • the quarter-wave plate and the quarter-wave plate provided in the region corresponding to the emitting portion respectively give opposite phase differences to the two orthogonal polarization components of the incident light.

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Abstract

　本発明は、作製が容易で、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もので、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について、周期的に反射部材が設けられた反射部にて反射し、該反射部材の間の出射部より出射する第１の反射層と、前記出射部より出射した光のうち、第１の方向の偏波光については透過させ、該第１の方向と直交する第２の方向の偏波光については回折させる偏光ビームスプリッタ層と、前記偏光ビームスプリッタ層を透過した光と前記偏光ビームスプリッタ層で回折した光を入射し、同じ偏光状態の光として出射する波長板層と、前記第１の反射層で反射された光を反射する第２の反射層と、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。
　特許文献３（特開2006-165423号公報）には、その図２１に示される実施例にて、発光層にて発生し、上側電極層の間から出射された光を、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する偏光分離膜にマイクロレンズ素子を介して入射させ、反射されたＳ偏光成分を反射膜によりＰ偏光成分の光と同じ向きに反射させ、１／２波長板に入射させてＰ偏光成分の光と同じ偏光方向とする構成が開示されている。
特開２００９－１１１０１２号公報 特開２００７－１０９６８９号公報 特開２００６－１６５４２３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。
　特許文献３に開示されている構成は、発光層にて発生し、上側電極層の間から出射された光に対応させて偏光分離膜が設けられている。発光層にて発生した光のうち、上側電極層の間から直接出射するものは少なく、大半は反射して出射する。反射回数が多いと、その回数分減衰することとなるため、反射回数を少なくするために上側電極層の設置間隔を小さくせざるを得ない。このため、上側電極層に対応する偏光分離膜も小さくしなければならず、作製が困難である。
　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について、周期的に反射部材が設けられた反射部にて反射し、該反射部材の間の出射部より出射する第１の反射層と、
　前記出射部より出射した光のうち、第１の方向の偏波光については透過させ、該第１の方向と直交する第２の方向の偏波光については回折させる偏光ビームスプリッタ層と、
　前記偏光ビームスプリッタ層を透過した光と前記偏光ビームスプリッタ層で回折した光を入射し、同じ偏光状態の光として出射する波長板層と、
　前記第１の反射層で反射された光を反射する第２の反射層と、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、偏光ビームスプリッタ層からは、第１の方向の偏波光と、第１の方向と直交する第２の方向の偏波光が出射される。これらの偏波光は、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。また、偏光ビームスプリッタ層は平板状であるため、反射部材の設置間隔を小さくしてもそれに対応させて設けることができ、作製が容易である。
（ａ）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、（ｂ）はその要部構成を示す断面図である。 図１中の反射層１０８の一つの構成例を示す斜視図である。 図１中の偏光ビームスプリッタ層１０９の一つの構成例を示す斜視図である。 図１中の偏光ビームスプリッタ層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１１０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１１０の一つの構成例を示す斜視図である。 図１中の反射層１０８の他の構成例を示す斜視図である。 図１中の偏光ビームスプリッタ層１０９の他の構成例を示す斜視図である。 図１中の偏光ビームスプリッタ層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１１０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１１０の他の構成例を示す斜視図である。 反射層１０８に形成される反射部材、偏光ビームスプリッタ層１０９に形成される偏光性回折格子、１／２波長板層１１０に形成される１／２波長板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。 図１５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１６に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。
　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（ａ）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、図１（ｂ）はその要部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、Agからなる反射層１０８が形成され、反射層１０８の上には、さらに偏光ビームスプリッタ層１０９および１／2波長板層１１０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上に反射層１０８を形成する。偏光ビームスプリッタ層１０９および１／2波長板層１１０は別プロセスにより形成され、反射層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。
　反射層１０８は、活性層１０５にて発生した光を反射する部分と活性層１０５にて発生した光を出射する部分とからなる。偏光ビームスプリッタ層１０９および１／2波長板層１１０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、これらの各領域は、反射層１０８における反射部および出射部に対応するように設けられている。
　図１（ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッタ層１０９には、反射層１０８の出射部に対応する領域に偏光性回折格子１１１が設けられている。また、１／2波長板層１１０には、反射層１０８の反射部に対応する領域に１／2波長板１１２が設けられている。
　偏光性回折格子１１１は、第１の方向の偏波（例えば、ＴＭ波）を透過させ、それと直交する第２の方向の偏波（例えば、ＴＥ波）を所定の方向に回折させるもので、本実施形態の場合には、１／2波長板１１２に向けて第２の方向の偏波を回折する。
　１／2波長板１１２は入射された第２の方向の偏波を第１の方向の偏波とし、出射する。この結果、１／2波長板層１１０の１／2波長板１１２が設けられている部分、１／2波長板１１２が設けられていない部分のいずれからも第１の方向の偏波の光が出射されることとなる。
　以下に、反射層１０８、偏光ビームスプリッタ層１０９、１／2波長板層１１０の具体的構成について説明する。
　図２は、図１中の反射層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、Agからなる長手形状の反射部材２０２が複数平行に形成されている。反射部材２０２が設けられている部分が反射部となり、反射部材２０２が設けられない部分が出射部となる。
　図３は、図１中の偏光ビームスプリッタ層１０９の一つの構成例を示す斜視図、図４は、構成をより具体的に示す斜視図である。
　図３および図４に示す例では、石英である基板３０１の上に、SiO2とTiO2とが交互に積層された誘電体３０２が形成されている。図３に示される、偏光性回折格子３０３が設けられない平坦な部分は反射層１０８の反射部に対応し、偏光性回折格子３０３が設けられる部分は反射層１０８の出射部に対応する。
　図４は、偏光性回折格子３０３が設けられる部分を拡大したものである。偏光性回折格子３０３は、特許文献４（特開2001-51122号公報）に開示されるような、平坦に形成された第１の領域４０１と、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第２の領域４０２とが交互に設けられ、偏光依存性の位相回折格子として作用するものである。
　図５は、図１中の１／2波長板層１１０の一つの構成例を示す斜視図、図６は、構成をより具体的に示す斜視図である。
　図５および図６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。図５に示される、１／2波長板５０３が設けられる部分は反射層１０８の反射部に対応し、１／2波長板５０３が設けられない平坦な部分は反射層１０８の出射部に対応する。
　図６は、１／2波長板５０３が設けられる部分を拡大したものである。１／2波長板５０３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ものである。
　図７は、図１中の反射層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、Agからなる矩形状の反射部材７０２が千鳥状に形成されている。反射部材７０２が設けられている部分が反射部となり、反射部材７０２が設けられない部分が出射部となる。
　図８は、図１中の偏光ビームスプリッタ層１０９の他の構成例を示す斜視図、図９は、構成をより具体的に示す斜視図である。
　図８および図９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。図８に示される、偏光性回折格子８０３が設けられない平坦な部分は反射層１０８の反射部に対応し、偏光性回折格子８０３が設けられる部分は反射層１０８の出射部に対応する。偏光性回折格子８０３には、格子の方向がY方向であるものとX方向であるものがある。
　図９は、偏光性回折格子８０３が設けられる部分を拡大したものである。偏光性回折格子８０３のうち、格子の方向がY方向であるものは、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。この偏光性回折格子８０３は、特開2001-51122号公報に開示されるような、平坦に形成されたＡ領域と、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Ｂ領域とが交互に設けられ、偏光依存性の位相回折格子として作用するものである。また、偏光性回折格子８０３のうち、格子の方向がX方向であるものは、石英である基板９０３の上に、SiO2とTiO2とが交互に積層された誘電体９０４が形成されている。この偏光性回折格子８０３は、特開2001-51122号公報に開示されるような、平坦に形成されたＤ領域と、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Ｃ領域とが交互に設けられ、偏光依存性の位相回折格子として作用するものである。
　図１０は、図１中の１／2波長板層１１０の他の構成例を示す斜視図、図１１は、構成をより具体的に示す斜視図である。
　図１０および図１１に示す例では、石英である基板１００１の上に、SiO2とTiO2とが交互に積層された誘電体１００２が形成されている。図１０に示される、１／2波長板１００３が設けられる部分は反射層１０８の反射部に対応し、１／2波長板１００３が設けられない平坦な部分は反射層１０８の出射部に対応する。図１１は、１／2波長板１００３が設けられる部分を拡大したものである。１／2波長板１００３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ものである。
　図２ないし図６に示したように、反射部材２０２、偏光性回折格子３０３、１／２波長板５０３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７ないし図１１に示したように、反射部材７０２、偏光性回折格子８０３、１／２波長板１００３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１２は、反射層１０８に形成される反射部材、偏光ビームスプリッタ層１０９に形成される偏光性回折格子、１／２波長板層１１０に形成される１／２波長板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、反射層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回反射して反射層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１２では、反射層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、反射部材の形成部と非形成部の幅を等しいものとし、反射部材の形成部と非形成部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反射層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）から反射層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、反射部材の形成部の中心としている。
　図１２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、反射層１０８の中心Ａから２Ｌ１＋Ｌ２の距離にある。
　図１３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。
　反射層１０８と反射層１０３の間の距離Ｌ１が３μｍ、活性層１０５の中心から反射層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、反射部材の形成部と非形成部を加えた幅Ｐを１７μｍとすればよい。
　図１４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１４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１３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１５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１３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１６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１３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１５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。
　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１８は、図１５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１９は、図１６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。
　なお、本発明による発光素子の実施形態の構成としては、１／２波長板層１１０の代わりに１／４波長板層を設けた構成も可能である。１／４波長板層には、反射層１０８の反射部に対応する領域および出射部に対応する領域に１／４波長板が設けられている。これらの１／４波長板は、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、反射層１０８の反射部に対応する領域に設けられた１／４波長板と出射部に対応する領域に設けられた１／４波長板とは、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、反射層１０８の反射部に対応する領域に設けられた１／４波長板と出射部に対応する領域に設けられた１／４波長板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。
　この出願は、２００９年１０月２２日に出願された日本特許出願特願２００９－２４３４３２号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てを参照してここに取り込む。
　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　　反射層
　１０９　　偏光ビームスプリッタ層
　１１０　　１／２波長板層

Claims (9)

  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について、周期的に反射部材が設けられた反射部にて反射し、該反射部材の間の出射部より出射する第１の反射層と、
    　前記出射部より出射した光のうち、第１の方向の偏波光については透過させ、該第１の方向と直交する第２の方向の偏波光については回折させる偏光ビームスプリッタ層と、
    　前記偏光ビームスプリッタ層を透過した光と前記偏光ビームスプリッタ層で回折した光を入射し、同じ偏光状態の光として出射する波長板層と、
    　前記第１の反射層で反射された光を反射する第２の反射層と、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、
    　前記反射部は、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、
    　前記反射部は、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、
    　前記波長板層のうち、前記偏光ビームスプリッタ層を透過した光を入射する部分と前記偏光ビームスプリッタで回折した光を入射する部分とは、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、
    　前記波長板層のうち、前記偏光ビームスプリッタ層を透過した光を入射する部分と前記偏光ビームスプリッタで回折した光を入射する部分とは、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。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発光素子において、
    　前記反射部材の周期をＰ、第１の反射層の厚さ方向の中心と第２の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第１の反射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。
  7. 請求項６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。
  8. 請求項６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。
  9. 請求項１ないし請求項８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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