光学设备和有机el显示器的制作方法
专利名称：光学设备和有机el显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及像有机EL(电致发光的)显示器这样的光学设备。
背景技术：
因为有机EL显示器属于自发光类型，所以它们具有较宽的视角以及较高的响应速度。此外，它们不需要背光，因此样子可以不太引人注目而且重量也可以较轻。出于这些原因，有机EL显示器作为替代液晶显示器的一种显示器正吸引人们越来越多的注意。
作为有机EL显示器的主要部分，有机EL元件包括发光前电极、与前电极面对面的反光或透光后电极、以及插放在电极之间并包含发光层的有机层。有机EL元件是电荷注入型发光元件，它在电流流过有机层时发光。
为了在有机EL显示器上显示图像，从其发光层中发出的光线必须从前电极输出。不过，在该元件里朝着前侧前进的光线中以宽角方向前进的那部分光线在前电极的界面上被完全反射。出于这个原因，有机层所发出的光线中有很大一部分无法从有机EL元件中出来。
以有机EL显示器为例加以说明，像每个像素都具有发光元件这样的显示器一般总带有这样的缺点，其中发光元件向外耦合的效率是不够高的。另外，在实现本发明的过程中，本发明的发明者已发现，这样一种显示器的发光效率不仅很大程度上受发光元件向外耦合效率的影响，还受其它因素的影响。
发明内容
本发明的目的便是增大像有机EL显示器这样的光学设备的发光效率。
根据本发明的第一方面，提供了一种光学设备，它包括第一波导层，多光束干涉便发生在该波导层中；第二波导层，该波导层的背面与第一波导层面对面，该波导层的前面可作为光线输出面；以及衍射光栅，它放置在第二波导层的背面并与第一波导层面对面，其中定义该衍射光栅的光栅常数时要使一级衍射光从第二波导层中出射，一级衍射光是当在共面方向上传播、同时还在第一波导层中引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入衍射光栅时产生的。
根据本发明的第二方面，提供了一种光学设备，该设备包括发光元件，它包括前电极、与前电极面对面的后电极、插放在前电极和后电极之间并包括一发光层的“光-有源”层；发光绝缘层，它包括与前电极面对面的背面以及作为光线输出面的前面；衍射光栅，它放置在绝缘层的背面上并面对着发光元件，其中定义该衍射光栅的光栅常数时要使一级衍射光从绝缘层中出射，一级衍射光是当从发光元件中发出、并在共面方向上传播、同时还在绝缘层的背面上引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入衍射光栅时产生的。
根据本发明的第三方面，提供了有机EL显示器，该显示器包括有机EL元件，它包括前电极、与前电极面对面的后电极、插放在前电极和后电极之间并包括一发光层的有机层；发光绝缘层，它包括与前电极面对面的背面以及作为光线输出面的前面；衍射光栅，它放置在绝缘层的背面上并面对着有机EL元件，其中定义该衍射光栅的光栅常数时要使一级衍射光从绝缘层中出现，一级衍射光是当从有机EL元件中发出、并在共面方向上传播、同时还在绝缘层的背面上引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入衍射光栅时产生的。
根据本发明的第四方面，提供了提供了一种光学设备，该设备包括第一波导层，光线在其中传播；第二波导层，它包括与第一波导层面对面的背面以及作为光线输出面的前面；以及衍射光栅，它被放置在第二波导层的背面上并面对着第一波导层，其中定义该衍射光栅的光栅常数时要抑制从第一波导层中出射并进入第二波导层的光线在第二波导层的前表面上的全反射。
图1是根据本发明的第一实施例示意性地示出了有机EL显示器的部分截面图。
图2示出了衍射光栅的光栅常数与在透明基板和外部之间的界面上的一级衍射光入射角之间的关系，该图是针对图1所示的有机EL显示器而获得的。
图3示出了衍射光栅的光栅常数与有机层和前电极的叠层的折射率之间的关系，该图是针对图1所示的有机EL显示器而获得的。
图4示出了衍射光栅的光栅常数与有机EL元件所发出的光波长之间的关系的示例，该图是针对图1所示的有机EL显示器而获得的。
图5示出了衍射光栅的光栅常数与有机EL元件所发出的光波长之间的关系的另一个示例，该图是针对图1所示的有机EL显示器而获得的。
图6示出了一个条件，该条件将一级衍射光在透明基板和外部之间的界面上的入射角设置成0度。
图7是部分截面图，它示意性地示出了图1所示的有机EL显示器的修改。
图8是根据本发明的第二实施例示意性地示出了有机EL显示器的截面图。
图9是截面图，它示意性地示出了图8所示的有机EL显示器的修改。
图10是截面图，它示意性地示出了形成衍射光栅的一种方法的示例。
具体实施例方式
下面将参照附图对本发明的诸多实施例进行描述。在所有这些附图中，相同的参考数字表示具有相同或相似功能的元件，并且有关描述也将省略。
图1是示意性地示出了根据本发明第一实施例的光学器件的部分截面图。图1示出了自发光显示器，更具体地讲，图1示出了作为光学器件的一个示例的有机EL显示器1。参照图1，显示器表面，即有机EL显示器1的前表面是朝下的，而背面是朝上的。
有机EL显示器1是一种使用有源矩阵驱动方法的底部发光型有机EL显示器。有机EL显示器1包括像玻璃基板这样的透明基板10，该基板是用作具有光透射特性的绝缘层。
在透明基板10上，像素以矩阵形式排列。每个像素都包括元件控制电路(未示出)，输出开关20，有机EL元件40，它们串联在一对电源端之间；以及像素开关(未示出)。元件控制电路的控制端通过像素开关连接到视频信号线(未示出)。元件控制电路20通过输出开关20将其大小与视频信号线所提供的视频信号相对应的电流输出到有机EL元件40。像素开关的控制端连接到扫描信号线(未示出)，并且其ON/OFF操作是根据扫描信号线所提供的扫描信号来控制的。注意到其它的结构是可以用于像素的。
在基板10上，作为底层12的SiNx层和SiOx层以这种顺序排列。像多晶硅层这种在里面形成有沟道、源极和漏极的半导体层13，可以使用TEOS(四乙基原硅酸)而形成的栅极绝缘层14，以及由MoW制成的栅极电极15，上述的13、14和15便以这种顺序排列在底层12上，并且这些层构成了顶部栅极型的薄膜晶体管(在下文中称为TFT)。在这个示例中，这些TFT被用作像素开关、输出开关20以及元件控制电路的TFT。此外，在栅极绝缘层14上排列着以与栅极电极15相同的步骤而形成的扫描信号线(未示出)。
通过等离子体CVD方法沉积而成的、由SiOx制成的中间层绝缘膜17排列在栅极绝缘层14和栅极电极15上。源极和漏极电极21排列在中间层绝缘膜17上，并且它们被掩埋在由SiNx制成的钝化膜18中。源极和漏极电极21具有Mo/Al/Mo这样的三层结构，并且通过形成于中间层绝缘膜17中的接触孔以电的方式连接到TFT的源极和漏极。此外，在中间层绝缘层17上排列着以与栅极和漏极电极21相同的步骤而形成的视频信号线(未示出)。
衍射光栅30形成于钝化层18上。例如，在第一波导层一侧，即与有机EL元件40相接触的表面上，衍射光栅30在其表面上具有凹形的预定图样。另外，构成衍射光栅30的材料所具有的光学特性不同于第一波导层的材料。像保护层或聚酰亚胺这样的有机绝缘材料可以被用于衍射光栅30。要形成于衍射光栅30的表面之上的图样可以被设计成条形或格子形等。或者，可以使用具有通透孔或凹形结构的绝缘层作为衍射光栅30。例如，衍射光栅30可以包括具有凹形结构或通透孔的第一部分，以及用来掩埋第一部分的凹形结构或通透孔并且光学特性不同于第一部分的第二部分。与漏极电极21相通的通透孔是形成于钝化膜18和衍射光栅30中的。
具有光发射特性的前电极41并置在衍射光栅30上，同时彼此间隔开。在本示例中，前电极41用作阳极，并由像铟锡氧化物(ITO)这样的透明导电氧化物制成。通过形成于钝化膜18和衍射光栅30中的通透孔，前电极41以电的方式连接到漏极电极21。
隔离物绝缘层50也形成于衍射光栅30上。在隔离物绝缘层50中，通透孔形成于与前电极41相对应的位置。隔离物绝缘层50是有机绝缘层，并可以通过使用光刻来形成。
在暴露在隔离物绝缘层50的通透孔内部的前电极41上，排放着包括发光层42a的有机层42。发光层42a是包含有发出红光、绿光和蓝光的有机发光混合物的薄膜。有机层42也可以包括不是发光层42a的一膜层。例如，有机层42可以包括缓冲层42b，缓冲层42b用于传递从前电极41到发光层42a的空穴注入。有机层42也可以包括空穴迁移层、空穴阻挡层、电子迁移层和电子注入层等。
具有光发射特性的背电极43叠放在隔离物绝缘层50和有机层42上。在本示例中，背电极43是连续形成的阴极，并为所有的像素所共用。通过形成于衍射光栅30和隔离物绝缘层50中的接触孔(未示出)，背电极43以电的方式连接到电极互连上，电极互连与视频信号线形成于相同的层上。每个有机EL元件40包括前电极41、有机层42和背电极43。
通常，图1所示的有机EL显示器1进一步包括与背电极43面对面的密封基板(未示出)以及沿密封基板的表面边缘排列并且面对着背电极43的密封层(未示出)。使用这种结构时，封闭的空间形成于背电极43和密封基板之间。该空间可以用稀有气体Ar等或惰性气体N2等来填充。
有机EL显示器1进一步包括光散射层60，该层位于透明基板10的外部，即前侧面之上。偏振片可以放置在透明基板10和光散射层60之间。中性(ND)滤光片可以排列在光散射层60上。
本发明的发明者为了增大有机EL显示器的发光效率进行了广泛的研究，发现了下面的事实。
有机EL显示器的发光效率并不仅仅取决于发光元件向外耦合的效率，还取决于其它因素。更具体地讲，当光线可以很有效率地从有机EL元件中输出时，有机EL显示器的发光效率还不能够足够地高，除非该光线可以从排列在有机EL元件的前侧上的光透射绝缘层中输出。换句话说，为了有效地增大有机EL显示器的发光效率，必须有效地抑制已进入光透射绝缘层的光线在光透射绝缘层和外部(通常是空气)之间的界面处发生的全反射现象。即，较为重要的是，抑制已从第一波导层(在这种情况下，便是前电极41和有机层42的叠层)进入第二波导层(在这种情况下，便是像基板10这样的光透射绝缘层)的光线在第二波导层的光输出表面处发生的全反射现象。
根据本发明的发明者的检查，为了有效地抑制已进入光透射绝缘层的光线在光透射绝缘层和外界之间的界面处发生全反射现象，进入光透射绝缘层的光线在光透射绝缘层和外界之间必须具有临界角以内的一角度，并且必须具有非常高的方向性。更具体地讲，必须增大光线的方向性，使得必须使用光散射层以实现足够的观察角。因此，为了通过使用衍射光栅来充分增大应该进入光透射绝缘层的光线的方向性，光栅常数必须被设置得非常小。
注意到有机EL元件的光发射层发出各个方向的光线。因此，原本就没有必要排列光散射层以在有机EL显示器中实现较宽的观察角。基于这样的背景，常规的有机EL显示器并不使用光散射层或从光透射绝缘层中输出具有高方向性的光线，该光透射绝缘层排列在有机EL元件的观察者一侧。
此外，本发明的发明者已发现，需要考虑到多反射和多干涉，即“多光束干涉”。“多光束干涉”是一种干涉现象，当光线中的一部分在反射表面(即平行的、像平面那样的反射表面)之间不断被反射时会发生这种现象。
多光束干涉发生在非常薄的层中，比如前电极41和有机层42的叠层。在该叠层内前进的光线中，在某一方向上前进的光束被加强，而在另一个方向上前进的光束则被减弱。换句话说，在该叠层的两个主要的表面之间在共面方向上传播同时不断地被反射的光线的前进方向被调制了。因此，为了提高有机EL显示器的发光效率，尤其重要的是，要有效地利用在上述叠层中在共面方向上传播同时不断地被反射的光线中具有最大强度的那部分光线。
图2示出了衍射光栅30的光栅常数与在透明基板10和外部的界面上一级衍射光的入射角之间的关系，该图对应于图1所示的有机EL显示器1。参照图2，横坐标表示衍射光栅30的光栅长度，纵坐标表示一级衍射光在透明基板10和外部之间的界面上的入射角。
图2所示的数据是通过在下面的条件下执行仿真而获得的。有机层42和前电极41的叠层厚度是150nm。该叠层的折射率是1.55。有机层42发出波长为530nm的光线。玻璃基板被用作透明基板10。光线从透明基板10的内部穿行到外部(空气)所对应的临界角是43.1°。
此外，要考虑到在前电极41和有机层42的叠层中的多光束干涉现象，并且在该叠层中在共面方向上传播的光线中具有最大强度的光线被用于计算由衍射光栅所产生的衍射。更具体地讲，基于波长、叠层的厚度和折射率，在该叠层中在共面方向上传播的光线中具有最大强度的光线应该在相对于薄膜表面的角度为63.7°的方向上前进，并且计算经衍射光栅30的光线的衍射。此外，既然0级衍射光的前进方向没有改变，并且比一级衍射光级别更高的衍射光又非常微弱，那么此处便只考虑一级衍射光。
如图2所示，在光栅常数大于1微米的情况下，一级衍射光相对于透明基板10和外部之间的界面的入射角大于等于临界角。因此，在这种情况下，一级衍射光不能用于显示。
当光栅常数介于1微米和0.2微米之间时，一级衍射光靠着透明基板10和外部之间的界面的入射角小于临界角。特别是，当光栅常数被设为大于0.2微米同时小于0.4微米时，入射角可以减小到很小的一个值。当光栅常数被设为0.35微米时，入射角可以被设为0°。
注意到当光栅常数小于0.2微米时，一级衍射光靠着透明基板10和外部之间的界面的入射角大于等于临界角。因此，在这种在情况下，一级衍射光不能用于显示。
如上所述，当衍射光栅的光栅常数被适当设定的时候，一级衍射光靠着透明基板10和外部之间的界面的入射角可能会极小。在这种情况下，在叠层中在膜表面方向上传播的光线中，不仅具有最大强度的那部分光线可以具有小于临界角的入射角，还有大部分的具有低强度的光线也可以具有小于临界角的入射角。因此，入射到透明基板10(光透射绝缘层)上的大部分光线都可以输出到外部。换句话说，根据有机EL显示器1，可以实现高发光效率。
使用这种技术，从透明基板10中输出的光线的方向性便像上面所描述的那样显著提高了。根据有机EL显示器1的使用，当使用光散射层60时，光线的方向性便可以自由变化。例如，当有机EL显示器1被用作像移动电话这样的移动设备时，并不要求有机EL显示器1具有较宽的视角，但要求它具有明亮的显示或低功耗。因此，针对这种特殊应用，可以使用具有较低的光散射能力的光散射层60。另一方面，当有机EL显示器1被用作静止设备的显示时，要求有机EL显示器1具有较宽的视角。因此，针对这种特殊的应用，可以使用具有较高的光散射能力的光散射层60。
参照图2已描述过衍射光栅30的光栅常数与在透明基板10和外部之间的界面上一级衍射光的入射角之间的关系，这种关系根据有机层42和前电极41的叠层的折射率而变化，或根据有机EL元件40所发出的光线的波长而变化。参照图3到6将对此进行描述。
图3示出了衍射光栅30的光栅常数与有机层42和前电极41的叠层的折射率之间的关系，该图对应于图1所示的有机EL显示器1。参照图3，横坐标表示衍射光栅30的光栅常数，纵坐标表示在透明基板10和外部的界面上一级衍射光的入射角。参照图3，曲线101表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是1.55(＝玻璃的折射率)时所获得的数据。曲线102表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是1.80时所获得的数据。曲线103表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是2.00(＝ITO折射率)时所获得的数据。除了叠层的折射率像上述那样变化这一点不同以外，图3所示的数据是在与参照图2所描述的条件相同的条件下执行仿真而获得的。
假定有机EL元件40发出波长为530nm的光线，并且衍射光栅30的光栅常数介于0.21与0.54微米之间。从图3中可以很明显地看出，在这种情况下，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线的某些分量可以不受约束地出射到外部，而叠层的折射率在1.55与2.00之间。
图4示出了衍射光栅30的光栅常数与有机EL元件40发出的光线的波长之间的关系的一个示例，该图对应于图1所示的有机EL显示器1。图5示出了衍射光栅30的光栅常数与有机EL元件40发出的光线的波长之间的关系的另一个示例，该图对应于图1所示的有机EL显示器1。
参照图4和5，横坐标表示衍射光栅30的光栅常数，纵坐标表示在透明基板10和外部的界面上一级衍射光的入射角。参照图4和5，曲线111表示当波长为630nm时所获得的数据。曲线112表示当波长为530nm时所获得的数据。曲线113表示当波长为460nm时所获得的数据。
图4所示的数据是通过在与参照图2所描述的条件基本相同的条件下执行仿真而获得的，其中条件不同处在于有机层42和前电极41的叠层的折射率被设为1.55；从有机EL元件40中发出的光线的波长是像上述那样变化；在叠层的主要表面之间以膜表面的方向传播同时不断被反射的光线的前进方向是根据波长而变化的。图5所示的数据是通过在与参照图2所描述的条件基本相同的条件下执行仿真而获得的，其中条件不同处在于有机层42和前电极41的叠层的折射率被设为2.00；从有机EL元件40中发出的光线的波长是像上述那样变化；在叠层的主要表面之间以膜表面的方向传播同时不断被反射的光线的前进方向是根据波长而变化的。
对于发出红光和峰值波长为630nm的光的有机EL元件40而言，衍射光栅30的光栅常数被设定在0.22微米和1.15微米之间。从图4和5中可以很清楚地看出，在这种情况下，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线的某些分量可以出射到外部。尤其当衍射光栅30的光栅常数被设定在0.27微米到0.65微米之间时，可以使一级衍射光进入包括透明基本10在内的第二波导层，并且入射到第二波导层上的光线可以出射到外部而不必在意有机层42和前电极41的叠层(第一波导层)的折射率究竟是多少。对于发出绿光和峰值波长为530nm的光的有机EL元件40而言，衍射光栅30的光栅常数被设定在0.18微米和0.95微米之间。在这种情况下，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线的某些分量可以出射到外部。尤其当衍射光栅30的光栅常数被设定在0.21微米到0.57微米之间时，可以使一级衍射光进入包括透明基本10在内的第二波导层，并且入射到第二波导层上的光线可以出射到外部而不必在意有机层42和前电极41的叠层(第一波导层)的折射率究竟是多少。对于发出蓝光和峰值波长为460nm的光的有机EL元件40而言，衍射光栅30的光栅常数被设定在0.16微米和0.85微米之间。在这种情况下，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线的某些分量可以出射到外部。尤其当衍射光栅30的光栅常数被设定在0.19微米到0.47微米之间时，可以使一级衍射光进入包括透明基本10在内的第二波导层，并且入射到第二波导层上的光线可以出射到外部而不必在意有机层42和前电极41的叠层(第一波导层)的折射率究竟是多少。即，在第一波导层的反面上，从第一波导层进入第二波导层的光线可以有效地从第二波导层的光输出表面中出现。
因此，当对于所有的发出红光、绿光和蓝光的有机EL元件40而言衍射光栅30的光栅常数都应该被设为预定值的时候，衍射光栅30的光栅常数可以被设定在0.27微米到0.47微米的范围中。在这种情况下，对于所有的显示颜色而言，可以使一级衍射光进入包括透明基板10的第二波导层，并且入射到第二波导层上的光线可以通过其出射表面出射到外部。
当衍射光栅30的光栅常数应该在发出红光、绿光和蓝光的有机EL元件40之间有所不同的时候，在面对红有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.22微米到1.15微米的范围中。在面对绿有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.18微米到0.95微米的范围中。在面对蓝有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.16微米到0.85微米的范围中。在这种情况下，对于所有的显示颜色而言，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线中的某些分量可以出射到外部。
当衍射光栅30的光栅常数应该在发出红光、绿光和蓝光的有机EL元件40之间有所不同的时候，在面对红有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.27微米到0.65微米的范围中。在面对绿有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.21微米到0.54微米的范围中。在面对蓝有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.19微米到0.47微米的范围中。在这种情况下，对于所有的显示颜色而言，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线中的某些分量可以出射到外部而不必在意第一波导层的折射率究竟是多少。
图6示出了将在透明基板10和外部之间的界面上一级衍射光的入射角设为0°的一种条件。参照图6，横坐标表示有机EL元件40发出的光线的波长，纵坐标表示要将在透明基板10和外部之间的界面上一级衍射光的入射角设为0°的衍射光栅30的光栅常数。参照图6，参考数字121表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是1.55时所获得的数据。参考数字122表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是1.80时所获得的数据。参考数字123表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是2.00时所获得的数据。
如图6所示，用来将在透明基板10和外部之间的界面上一级衍射光的入射角设为0°的衍射光栅30的光栅常数并不限于0.35。根据有机层42和前电极41的叠层的折射率或从有机EL元件40中发出的光线的波长，光栅常数可以有所变化。
在图1所示的示例中，具有多个凹形结构的光透射层被用作衍射光栅30。衍射光栅30可以使用任何其它的结构。
图7是示意性地示出了图1所示的有机EL显示器的一种变体的部分截面图。该有机EL显示器1的结构与图1所示的有机EL显示器1基本上相同，不同之处在于，具有多个通透孔的光透射层被用作衍射光栅30。这样，衍射光栅30便可以使用各种结构。
形成于衍射光栅30上的诸多层也可以使用各种结构。例如，参照图7，用来填充衍射光栅30的通透孔的部分，即部分41a可以用不同于层41b的材料制作。
下面将对本发明的第二实施例进行描述。
图8是示意性地示出了根据本发明第二实施例的有机EL显示器的截面图。图8示出了其前表面朝上而其后表面朝下的有机EL显示器1。
该有机EL显示器1是一种顶部发光型有机EL显示器。因此，与第一实施例不同的是，基板10不需要具有透光特性。
在第一实施例中，底层12、TFT、中间层绝缘层17以及钝化膜18是按顺序形成于基板10上的。接触孔形成于栅极绝缘层14、中间层绝缘膜17和钝化膜18中。源极和漏极电极21通过接触孔以电的方式连接到TFT的源极和漏极。
衍射光栅30的反射层70和第一部分31(与钝化膜18集成在一起)按顺序形成于中间层绝缘膜17上。作为反射层70的材料，可以使用像Al这样的金属材料。在这个示例中，反射层70具有Mo/Al/Mo这样的三层结构，所以它可以通过与源极和漏极电极相同的工艺来形成。作为第一部分31的材料，可以使用像SiN这样的绝缘材料。
第一部分31的凹形结构是用由光透射绝缘材料制成的第二部分32来填充的，光透射绝缘材料可以是折射率高于第一部分31的保护层材料。即，在第一部分31和第二部分32的界面处折射率有所变化。此外，周期性的图样形成于该界面上。
具有光透射特性的背电极43并置在衍射光栅30上，同时彼此是分隔开的。在这个示例中，背电极43用作阳极，并且是由像ITO这样的透明导电氧化物制成的。
与第一实施例中描述的完全相同的隔离物绝缘层50也形成于衍射光栅30的第一部分31上。包括发光层在内的有机层42形成于背电极43上，背电极43暴露在隔离物绝缘层50中所形成的通透孔的内部，这与第一实施例相同。
具有透光特性的前电极41形成于隔离物绝缘层50和有机层42上。在这个示例中，前电极41是连续形成的阴极，以便所有的像素来共用。在这个示例中，有机EL元件40对应于第一波导层。
作为透光绝缘层的透明的保护膜80以及光散射层60按顺序形成于前电极41上。在这个示例中，透明的保护膜80对应于第二波导层。透明的保护膜80防止水从外部流入有机EL元件40，并且也用作平整层。作为透明的保护膜80的材料，可以使用透明的树脂。透明的保护膜80可以使用单层结构或多层结构。
偏振片可排列在透明的保护膜80与光散射层60之间。ND滤光片可以排列在光散射层60上。
在第一实施例中，衍射光栅30是被安排在有机EL元件40与用作透光绝缘层的基板10之间的，即在有机EL元件40的前侧。在第二实施例中，衍射光栅30是被安排在有机EL元件40与反射层70之间的，即在有机EL元件40的后侧。当使用这种结构时，可以获得与第一实施例几乎相同的效果。
当衍射光栅30被安排在有机EL元件40的背面上的时候，有机EL元件40发出的光线的某些分量在不通过衍射光栅30的情况下进入透光绝缘层。因此，为了使更多的光分量发生衍射，最好在有机EL元件40和透光绝缘层之间安排衍射光栅30。
在图8所示的示例中，衍射光栅30使用一种结构，其中第一部分31的凹形结构是用第二部分32来填充的。当衍射光栅30包括第一部分31和第二部分32时，可以使用任何其它的结构。
图9是示意性地示出了图8所示的有机EL显示器的一种变体的截面图。在该有机EL显示器1中，第二部分32包括用来填充第一部分31的凹形结构的部分32a；用来覆盖第一部分31的上表面的部分32b。除了这几点之外，图9所示的有机EL显示器的结构与图8所示的有机EL显示器1的结构相同。这样，衍射光栅30可以使用各种结构。
在第一和第二实施例中，作为衍射光栅30，可以使用一维格子或二维格子。为了使更多的光线发生衍射，后者是更有优势的。
在第一和第二实施例中，使用了透射光栅。或者，可以使用反射光栅。例如，图8所示的衍射光栅30可以省略，用来构成衍射光栅的突起和凹陷可以形成于反射层70的前表面上。
当衍射光栅30包括透光的第一部分31和用来填充形成于第一部分中的凹陷的第二部分32时，第二部分的光学特性应该不同于前述的第一部分31。如果第一部分31和第二部分32在折射率、透射率和反射率中的至少一方面中有所不同的话，那就足够了。通常，第二部分应该是透光的，并且其折射率应该与第一部分31不同。
形成于第一部分31中的凹陷的底部表面可以是第一部分31的表面，或者它可以是第一部分31的底层的表面。此外，图1所示的有机EL显示器1可以被视为具有这样一种结构，其中衍射光栅30用作图8所示的第一部分，电极41的一部分用作图8所示的第二部分32。第二部分32可以是由与电极41或43不同的材料制成的。
在有机EL元件40一侧，与相邻的层相比，包括在衍射光栅30中的第一部分31和第二部分32中的至少一部分可以具有更高的折射率。在相对于衍射光栅30的有机EL元件40一侧的层中，使用这种结构可促进多光束干涉。
如上所述，用在第一和第二实施例中的衍射光栅30的光栅常数是非常小的。即，为了获得根据第一和第二实施例的有机EL显示器1，一种形成超精细图样的技术是必需的。
不过，与半导体器件不同的是，在某些情况下要在制造该有机EL显示器1的过程中使用面积较大的基板。出于这个原因，在使用光掩模的正常光刻过程中，因基板的翘曲会出现散焦现象。因此，精准地传递光掩模的图样是很难的。通过使用下面的方法便可以解决这个问题。
图10是示意性地示出了形成衍射光栅30的方法的一个示例的截面图。参照图10，为了便于说明，略去了插放在基板10和衍射光栅30之间的组元作为一个示例，将对图1所示的形成衍射光栅30的一种方法进行描述。
在这种方法中，首先，随后要被用作衍射光栅30的连续膜30形成于像钝化膜18这样的底层膜上，而底层膜又形成于基板10主要的表面上。保护膜95形成于连续膜30上。
接下来，通过在由石英制成的透光基板91的主要的表面上形成遮光图样92来准备光掩模90。安排光掩模90时要使遮光图样92面对着保护膜95，并且光掩模90通过介电性的液体膜97与基板10保持接触。在这种情况下，保护膜95透过光掩模90暴光。
从基板10中去除光掩模90，并显出保护膜95。经过这样的处理，便获得了通过使保护膜95图形化而形成的保护层图样(未示出)。
连续膜30是通过使用保护层图样作为掩模来刻蚀的。使用上述方法，便获得了通过使连续膜30图形化而形成的衍射光栅30。注意到图8所示的衍射光栅30是可以通过如下步骤而获得的根据与上文所述相同的步骤形成第一部分31，之后，用第二部分32来填充凹形结构，其中制造第二部分32所用的材料的光学特性与第一部分31不同。
在这种方法中，安排光掩模90和基板10时要使它们像上文所描述的那样通过液体膜97而彼此保持接触。出于这个原因，即便当基板10弯曲时，遮光图样92和保护膜95之间仍然可以维持着预定的距离。另外，当安排光掩模90和基板10时已使它们通过液体膜97而彼此保持接触的时候，可以使遮光图样92和保护膜95之间的距离小于用于曝光的光线的波长。即，可以执行使用近场光的曝光过程。此外，在这种方法中，光掩模90的图样转移到保护膜95上而没有使之放大。因此，根据这种方法，可以很容易地形成光栅常数很精准的衍射光栅30。
在这种方法中，像上文所描述的那样，光掩模90的图样转移到保护膜95上而没有使之放大。出于这种原因，通常并不使用具有样品玻璃基板这种尺寸的光掩模90来进行弯曲的板面曝光。相反，通常使用尺寸较小的光掩模90来进行“分步-重复”的曝光。
在这种方法中，像上文所描述的那样使用了近场光。近场光是非传播型的，因此并不适合于对较厚的保护膜95进行曝光。例如，在形成较厚的保护层图样的过程中，可以形成较厚的下层保护层膜与较薄的上层保护层膜的叠层。更具体地讲，上层保护层膜可以按上述的方法使用近场光来进行图形化处理。下层保护层膜可以按干蚀(例如，使用等离子体的干蚀)的方法使用合成的保护层图样作为掩模来进行图形化处理。使用这种方法，便可以获得要被用于将连续膜30图形化的精确的保护层图样，该保护层图样还具有抗蚀性。
在上述方法中，通过将保护膜95图形化而获得的保护层图样被用作刻蚀掩模。保护层图样本身可以被用作衍射光栅30或第一部分31。
作为另一种形成方法，通过使用模具将周期性的图样转移(印刻)到绝缘层上，也可以获得衍射光栅30。
在第一和第二实施例中，使用了一种安排，通过使用有机EL元件40发出不同颜色的光，它可以在有机EL显示器1上实现全色显示。不过，有机EL显示器1可以使用一种能够实现单色显示的安排。通过将另一种安排用于有机EL显示器1，便可以实现全色显示。例如，通过使用发出白光的有机EL元件40以及彩色滤光片，便可以实现全色显示。或者，通过使用发出蓝光的有机EL元件40以及颜色转换滤光片，便可以实现全色显示。在后一种情况中，衍射光栅30最好被安排在有机EL元件40和颜色转换滤光片之间。当在单色光的情况中引起了衍射时，衍射光栅30的波长依赖性便不需要再考虑了。即，衍射光栅30的光栅常数只需要针对颜色转换之前的波长而达到最佳值就可以了。没有必要针对每种颜色都使衍射光栅30的光栅常数达到最佳值。
在第一和第二实施例中，作为自发光式的光学设备的一个示例，已对有机EL显示器1进行了描述。不过，上述技术可以应用于任何其它的光学设备。例如，上述技术可以应用于像照明设备这样的自发光式的光学设备。
对于本领域的技术人员而言，另外的优点和修改将是显然的。因此，就其更宽广的诸多方面而言，本发明并不限于本文所描述和示出的特定细节以及具有代表性的实施例。因此，在不背离所附的权利要求书及其等价方案所界定的精神和范围的情况下，可以作出各种修改。
权利要求
1.一种光学设备，它包括在其中发生多光束干涉的第一波导层；第二波导层，它包括与所述第一波导层面对面的背面以及作为光输出表面的前表面；以及放置在所述第二波导层的背面上并面朝着所述第一波导层的衍射光栅，其中所述衍射光栅的光栅常数被确定为使一级衍射光从所述第二波导层中出射，当在共面方向上传播、同时还在所述第一波导层中引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入所述衍射光栅时，产生了所述一级衍射光。
2.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.16微米到1.15微米的范围之内。
3.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.27微米到0.47微米的范围之内。
4.一种光学设备，它包括发光元件，它包括前电极、与所述前电极面对面的后电极以及光活化层，所述光活化层插放在所述前电极和所述后电极之间并包括发光层；透光绝缘层，它包括与所述前电极面对面的背面以及作为光输出表面的前表面；以及衍射光栅，它放置在所述绝缘层的背面上并面朝着所述发光元件，其中所述衍射光栅的光栅常数被确定为使一级衍射光从所述绝缘层中出射，当从所述发光元件中发出、并在共面方向上传播、同时又在所述绝缘层的背面上引起多次反射的光线中的强度最大的光分量进入所述衍射光栅时，产生了所述一级衍射光。
5.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.16微米到1.15微米的范围之内。
6.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.27微米到0.47微米的范围之内。
7.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备进一步包括发出红光的红发光元件、发出绿光的绿发光元件以及发出蓝光的蓝发光元件，其中在所述衍射光栅上面朝着所述红发光元件的那部分的光栅常数在0.22微米到1.15微米的范围内，在所述衍射光栅上面朝着所述绿发光元件的那部分的光栅常数在0.18微米到0.95微米的范围内，以及在所述衍射光栅上面朝着所述蓝发光元件的那部分的光栅常数在0.16微米到0.85微米的范围内。
8.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备进一步包括发出红光的红发光元件、发出绿光的绿发光元件以及发出蓝光的蓝发光元件，以作为发光元件，其中在所述衍射光栅上面朝着所述红发光元件的那部分的光栅常数在0.27微米到0.65微米的范围内，在所述衍射光栅上面朝着所述绿发光元件的那部分的光栅常数在0.21微米到0.54微米的范围内，以及在所述衍射光栅上面朝着所述蓝发光元件的那部分的光栅常数在0.19微米到0.47微米的范围内。
9.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数被确定为使所述一级衍射光入射到所述绝缘层上的入射角小于等于10°。
10.一种有机EL显示器，它包括有机EL元件，它包括前电极、与所述前电极面对面的后电极以及有机层，所述有机层插放在所述前电极和所述后电极之间并包括发光层；透光绝缘层，它包括与所述前电极面对面的背面以及作为光输出表面的前表面；以及衍射光栅，它放置在所述绝缘层的背面上并面朝着所述有机EL元件，其中所述衍射光栅的光栅常数被确定为使一级衍射光从所述绝缘层中出射，当从所述有机EL元件中发出、并在共面方向上传播、同时又在所述绝缘层的背面上引起多次反射的光线中的强度最大的光分量进入所述衍射光栅时，产生了所述一级衍射光。
11.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.16微米到1.15微米的范围之内。
12.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.27微米到0.47微米的范围之内。
13.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器进一步包括发出红光的红有机EL元件、发出绿光的绿有机EL元件以及发出蓝光的蓝有机EL元件，以作为发光元件，其中在所述衍射光栅上面朝着所述红有机EL元件的那部分的光栅常数在0.22微米到1.15微米的范围内，在所述衍射光栅上面朝着所述绿有机EL元件的那部分的光栅常数在0.18微米到0.95微米的范围内，以及在所述衍射光栅上面朝着所述蓝有机EL元件的那部分的光栅常数在0.16微米到0.85微米的范围内。
14.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器进一步包括发出红光的红有机EL元件、发出绿光的绿有机EL元件以及发出蓝光的蓝有机EL元件，以作为有机EL元件，其中在所述衍射光栅上面朝着所述红有机EL元件的那部分的光栅常数在0.27微米到0.65微米的范围内，在所述衍射光栅上面朝着所述绿有机EL元件的那部分的光栅常数在0.21微米到0.54微米的范围内，以及在所述衍射光栅上面朝着所述蓝有机EL元件的那部分的光栅常数在0.19微米到0.47微米的范围内。
15.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数被确定为使所述一级衍射光入射到所述绝缘层上的入射角小于等于10°。
16.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述衍射光栅被安排在所述前电极和所述绝缘层之间。
17.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器进一步包括被安排在所述背电极的背面上的反射层，其中所述背电极具有透光特性。
18.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器进一步包括被安排在所述背电极的背面上的反射层，其中所述背电极具有透光特性，并且所述衍射光栅被安排在所述背电极和所述反射层之间。
19.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述绝缘层包括透明基板。
20.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述绝缘层包括透明保护膜。
21.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器属于有源矩阵型。
22.一种光学设备，它包括光线在其中传播的第一波导层；第二波导层，它包括与所述第一波导层面对面的后表面以及作为光输出表面的前表面；以及放置在所述第二波导层的背面上并面朝着所述第一波导层的衍射光栅，其中所述衍射光栅的光栅常数被确定为使得从所述第一波导层中出射并进入所述第二波导层的光线在所述第二波导层的前表面上发生的全反射被抑制。
全文摘要
提供了一种光学设备(1)，该设备包括第一波导层(41，42)，多光束干涉发生在该层中；第二波导层(10)，它包括与第一波导层(41，42)面对面的后表面和作为光线输出面的前表面；以及衍射光栅(30)，它被安排在第二波导层(10)的背面上并面对着第一波导层(41，42)，其中确定该衍射光栅(30)的光栅常数时要使一级衍射光从第二波导层(10)中出射，一级衍射光是当在共面方向上传播、同时还在第一波导层(41，42)中引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入衍射光栅(30)时产生的。
文档编号H01L27/32GK1806270SQ200480016360
公开日2006年7月19日 申请日期2004年8月12日 优先权日2003年8月13日
发明者奥谷聡, 上村强, 久保田浩史, 冈田直忠, 户野谷纯一, 铃木启之, 大川秀树 申请人:东芝松下显示技术有限公司, 株式会社东芝
技术领域：
本发明涉及像有机EL(电致发光的)显示器这样的光学设备。
背景技术：
因为有机EL显示器属于自发光类型，所以它们具有较宽的视角以及较高的响应速度。此外，它们不需要背光，因此样子可以不太引人注目而且重量也可以较轻。出于这些原因，有机EL显示器作为替代液晶显示器的一种显示器正吸引人们越来越多的注意。
作为有机EL显示器的主要部分，有机EL元件包括发光前电极、与前电极面对面的反光或透光后电极、以及插放在电极之间并包含发光层的有机层。有机EL元件是电荷注入型发光元件，它在电流流过有机层时发光。
为了在有机EL显示器上显示图像，从其发光层中发出的光线必须从前电极输出。不过，在该元件里朝着前侧前进的光线中以宽角方向前进的那部分光线在前电极的界面上被完全反射。出于这个原因，有机层所发出的光线中有很大一部分无法从有机EL元件中出来。
以有机EL显示器为例加以说明，像每个像素都具有发光元件这样的显示器一般总带有这样的缺点，其中发光元件向外耦合的效率是不够高的。另外，在实现本发明的过程中，本发明的发明者已发现，这样一种显示器的发光效率不仅很大程度上受发光元件向外耦合效率的影响，还受其它因素的影响。
发明内容
本发明的目的便是增大像有机EL显示器这样的光学设备的发光效率。
根据本发明的第一方面，提供了一种光学设备，它包括第一波导层，多光束干涉便发生在该波导层中；第二波导层，该波导层的背面与第一波导层面对面，该波导层的前面可作为光线输出面；以及衍射光栅，它放置在第二波导层的背面并与第一波导层面对面，其中定义该衍射光栅的光栅常数时要使一级衍射光从第二波导层中出射，一级衍射光是当在共面方向上传播、同时还在第一波导层中引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入衍射光栅时产生的。
根据本发明的第二方面，提供了一种光学设备，该设备包括发光元件，它包括前电极、与前电极面对面的后电极、插放在前电极和后电极之间并包括一发光层的“光-有源”层；发光绝缘层，它包括与前电极面对面的背面以及作为光线输出面的前面；衍射光栅，它放置在绝缘层的背面上并面对着发光元件，其中定义该衍射光栅的光栅常数时要使一级衍射光从绝缘层中出射，一级衍射光是当从发光元件中发出、并在共面方向上传播、同时还在绝缘层的背面上引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入衍射光栅时产生的。
根据本发明的第三方面，提供了有机EL显示器，该显示器包括有机EL元件，它包括前电极、与前电极面对面的后电极、插放在前电极和后电极之间并包括一发光层的有机层；发光绝缘层，它包括与前电极面对面的背面以及作为光线输出面的前面；衍射光栅，它放置在绝缘层的背面上并面对着有机EL元件，其中定义该衍射光栅的光栅常数时要使一级衍射光从绝缘层中出现，一级衍射光是当从有机EL元件中发出、并在共面方向上传播、同时还在绝缘层的背面上引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入衍射光栅时产生的。
根据本发明的第四方面，提供了提供了一种光学设备，该设备包括第一波导层，光线在其中传播；第二波导层，它包括与第一波导层面对面的背面以及作为光线输出面的前面；以及衍射光栅，它被放置在第二波导层的背面上并面对着第一波导层，其中定义该衍射光栅的光栅常数时要抑制从第一波导层中出射并进入第二波导层的光线在第二波导层的前表面上的全反射。
图1是根据本发明的第一实施例示意性地示出了有机EL显示器的部分截面图。
图2示出了衍射光栅的光栅常数与在透明基板和外部之间的界面上的一级衍射光入射角之间的关系，该图是针对图1所示的有机EL显示器而获得的。
图3示出了衍射光栅的光栅常数与有机层和前电极的叠层的折射率之间的关系，该图是针对图1所示的有机EL显示器而获得的。
图4示出了衍射光栅的光栅常数与有机EL元件所发出的光波长之间的关系的示例，该图是针对图1所示的有机EL显示器而获得的。
图5示出了衍射光栅的光栅常数与有机EL元件所发出的光波长之间的关系的另一个示例，该图是针对图1所示的有机EL显示器而获得的。
图6示出了一个条件，该条件将一级衍射光在透明基板和外部之间的界面上的入射角设置成0度。
图7是部分截面图，它示意性地示出了图1所示的有机EL显示器的修改。
图8是根据本发明的第二实施例示意性地示出了有机EL显示器的截面图。
图9是截面图，它示意性地示出了图8所示的有机EL显示器的修改。
图10是截面图，它示意性地示出了形成衍射光栅的一种方法的示例。
具体实施例方式
下面将参照附图对本发明的诸多实施例进行描述。在所有这些附图中，相同的参考数字表示具有相同或相似功能的元件，并且有关描述也将省略。
图1是示意性地示出了根据本发明第一实施例的光学器件的部分截面图。图1示出了自发光显示器，更具体地讲，图1示出了作为光学器件的一个示例的有机EL显示器1。参照图1，显示器表面，即有机EL显示器1的前表面是朝下的，而背面是朝上的。
有机EL显示器1是一种使用有源矩阵驱动方法的底部发光型有机EL显示器。有机EL显示器1包括像玻璃基板这样的透明基板10，该基板是用作具有光透射特性的绝缘层。
在透明基板10上，像素以矩阵形式排列。每个像素都包括元件控制电路(未示出)，输出开关20，有机EL元件40，它们串联在一对电源端之间；以及像素开关(未示出)。元件控制电路的控制端通过像素开关连接到视频信号线(未示出)。元件控制电路20通过输出开关20将其大小与视频信号线所提供的视频信号相对应的电流输出到有机EL元件40。像素开关的控制端连接到扫描信号线(未示出)，并且其ON/OFF操作是根据扫描信号线所提供的扫描信号来控制的。注意到其它的结构是可以用于像素的。
在基板10上，作为底层12的SiNx层和SiOx层以这种顺序排列。像多晶硅层这种在里面形成有沟道、源极和漏极的半导体层13，可以使用TEOS(四乙基原硅酸)而形成的栅极绝缘层14，以及由MoW制成的栅极电极15，上述的13、14和15便以这种顺序排列在底层12上，并且这些层构成了顶部栅极型的薄膜晶体管(在下文中称为TFT)。在这个示例中，这些TFT被用作像素开关、输出开关20以及元件控制电路的TFT。此外，在栅极绝缘层14上排列着以与栅极电极15相同的步骤而形成的扫描信号线(未示出)。
通过等离子体CVD方法沉积而成的、由SiOx制成的中间层绝缘膜17排列在栅极绝缘层14和栅极电极15上。源极和漏极电极21排列在中间层绝缘膜17上，并且它们被掩埋在由SiNx制成的钝化膜18中。源极和漏极电极21具有Mo/Al/Mo这样的三层结构，并且通过形成于中间层绝缘膜17中的接触孔以电的方式连接到TFT的源极和漏极。此外，在中间层绝缘层17上排列着以与栅极和漏极电极21相同的步骤而形成的视频信号线(未示出)。
衍射光栅30形成于钝化层18上。例如，在第一波导层一侧，即与有机EL元件40相接触的表面上，衍射光栅30在其表面上具有凹形的预定图样。另外，构成衍射光栅30的材料所具有的光学特性不同于第一波导层的材料。像保护层或聚酰亚胺这样的有机绝缘材料可以被用于衍射光栅30。要形成于衍射光栅30的表面之上的图样可以被设计成条形或格子形等。或者，可以使用具有通透孔或凹形结构的绝缘层作为衍射光栅30。例如，衍射光栅30可以包括具有凹形结构或通透孔的第一部分，以及用来掩埋第一部分的凹形结构或通透孔并且光学特性不同于第一部分的第二部分。与漏极电极21相通的通透孔是形成于钝化膜18和衍射光栅30中的。
具有光发射特性的前电极41并置在衍射光栅30上，同时彼此间隔开。在本示例中，前电极41用作阳极，并由像铟锡氧化物(ITO)这样的透明导电氧化物制成。通过形成于钝化膜18和衍射光栅30中的通透孔，前电极41以电的方式连接到漏极电极21。
隔离物绝缘层50也形成于衍射光栅30上。在隔离物绝缘层50中，通透孔形成于与前电极41相对应的位置。隔离物绝缘层50是有机绝缘层，并可以通过使用光刻来形成。
在暴露在隔离物绝缘层50的通透孔内部的前电极41上，排放着包括发光层42a的有机层42。发光层42a是包含有发出红光、绿光和蓝光的有机发光混合物的薄膜。有机层42也可以包括不是发光层42a的一膜层。例如，有机层42可以包括缓冲层42b，缓冲层42b用于传递从前电极41到发光层42a的空穴注入。有机层42也可以包括空穴迁移层、空穴阻挡层、电子迁移层和电子注入层等。
具有光发射特性的背电极43叠放在隔离物绝缘层50和有机层42上。在本示例中，背电极43是连续形成的阴极，并为所有的像素所共用。通过形成于衍射光栅30和隔离物绝缘层50中的接触孔(未示出)，背电极43以电的方式连接到电极互连上，电极互连与视频信号线形成于相同的层上。每个有机EL元件40包括前电极41、有机层42和背电极43。
通常，图1所示的有机EL显示器1进一步包括与背电极43面对面的密封基板(未示出)以及沿密封基板的表面边缘排列并且面对着背电极43的密封层(未示出)。使用这种结构时，封闭的空间形成于背电极43和密封基板之间。该空间可以用稀有气体Ar等或惰性气体N2等来填充。
有机EL显示器1进一步包括光散射层60，该层位于透明基板10的外部，即前侧面之上。偏振片可以放置在透明基板10和光散射层60之间。中性(ND)滤光片可以排列在光散射层60上。
本发明的发明者为了增大有机EL显示器的发光效率进行了广泛的研究，发现了下面的事实。
有机EL显示器的发光效率并不仅仅取决于发光元件向外耦合的效率，还取决于其它因素。更具体地讲，当光线可以很有效率地从有机EL元件中输出时，有机EL显示器的发光效率还不能够足够地高，除非该光线可以从排列在有机EL元件的前侧上的光透射绝缘层中输出。换句话说，为了有效地增大有机EL显示器的发光效率，必须有效地抑制已进入光透射绝缘层的光线在光透射绝缘层和外部(通常是空气)之间的界面处发生的全反射现象。即，较为重要的是，抑制已从第一波导层(在这种情况下，便是前电极41和有机层42的叠层)进入第二波导层(在这种情况下，便是像基板10这样的光透射绝缘层)的光线在第二波导层的光输出表面处发生的全反射现象。
根据本发明的发明者的检查，为了有效地抑制已进入光透射绝缘层的光线在光透射绝缘层和外界之间的界面处发生全反射现象，进入光透射绝缘层的光线在光透射绝缘层和外界之间必须具有临界角以内的一角度，并且必须具有非常高的方向性。更具体地讲，必须增大光线的方向性，使得必须使用光散射层以实现足够的观察角。因此，为了通过使用衍射光栅来充分增大应该进入光透射绝缘层的光线的方向性，光栅常数必须被设置得非常小。
注意到有机EL元件的光发射层发出各个方向的光线。因此，原本就没有必要排列光散射层以在有机EL显示器中实现较宽的观察角。基于这样的背景，常规的有机EL显示器并不使用光散射层或从光透射绝缘层中输出具有高方向性的光线，该光透射绝缘层排列在有机EL元件的观察者一侧。
此外，本发明的发明者已发现，需要考虑到多反射和多干涉，即“多光束干涉”。“多光束干涉”是一种干涉现象，当光线中的一部分在反射表面(即平行的、像平面那样的反射表面)之间不断被反射时会发生这种现象。
多光束干涉发生在非常薄的层中，比如前电极41和有机层42的叠层。在该叠层内前进的光线中，在某一方向上前进的光束被加强，而在另一个方向上前进的光束则被减弱。换句话说，在该叠层的两个主要的表面之间在共面方向上传播同时不断地被反射的光线的前进方向被调制了。因此，为了提高有机EL显示器的发光效率，尤其重要的是，要有效地利用在上述叠层中在共面方向上传播同时不断地被反射的光线中具有最大强度的那部分光线。
图2示出了衍射光栅30的光栅常数与在透明基板10和外部的界面上一级衍射光的入射角之间的关系，该图对应于图1所示的有机EL显示器1。参照图2，横坐标表示衍射光栅30的光栅长度，纵坐标表示一级衍射光在透明基板10和外部之间的界面上的入射角。
图2所示的数据是通过在下面的条件下执行仿真而获得的。有机层42和前电极41的叠层厚度是150nm。该叠层的折射率是1.55。有机层42发出波长为530nm的光线。玻璃基板被用作透明基板10。光线从透明基板10的内部穿行到外部(空气)所对应的临界角是43.1°。
此外，要考虑到在前电极41和有机层42的叠层中的多光束干涉现象，并且在该叠层中在共面方向上传播的光线中具有最大强度的光线被用于计算由衍射光栅所产生的衍射。更具体地讲，基于波长、叠层的厚度和折射率，在该叠层中在共面方向上传播的光线中具有最大强度的光线应该在相对于薄膜表面的角度为63.7°的方向上前进，并且计算经衍射光栅30的光线的衍射。此外，既然0级衍射光的前进方向没有改变，并且比一级衍射光级别更高的衍射光又非常微弱，那么此处便只考虑一级衍射光。
如图2所示，在光栅常数大于1微米的情况下，一级衍射光相对于透明基板10和外部之间的界面的入射角大于等于临界角。因此，在这种情况下，一级衍射光不能用于显示。
当光栅常数介于1微米和0.2微米之间时，一级衍射光靠着透明基板10和外部之间的界面的入射角小于临界角。特别是，当光栅常数被设为大于0.2微米同时小于0.4微米时，入射角可以减小到很小的一个值。当光栅常数被设为0.35微米时，入射角可以被设为0°。
注意到当光栅常数小于0.2微米时，一级衍射光靠着透明基板10和外部之间的界面的入射角大于等于临界角。因此，在这种在情况下，一级衍射光不能用于显示。
如上所述，当衍射光栅的光栅常数被适当设定的时候，一级衍射光靠着透明基板10和外部之间的界面的入射角可能会极小。在这种情况下，在叠层中在膜表面方向上传播的光线中，不仅具有最大强度的那部分光线可以具有小于临界角的入射角，还有大部分的具有低强度的光线也可以具有小于临界角的入射角。因此，入射到透明基板10(光透射绝缘层)上的大部分光线都可以输出到外部。换句话说，根据有机EL显示器1，可以实现高发光效率。
使用这种技术，从透明基板10中输出的光线的方向性便像上面所描述的那样显著提高了。根据有机EL显示器1的使用，当使用光散射层60时，光线的方向性便可以自由变化。例如，当有机EL显示器1被用作像移动电话这样的移动设备时，并不要求有机EL显示器1具有较宽的视角，但要求它具有明亮的显示或低功耗。因此，针对这种特殊应用，可以使用具有较低的光散射能力的光散射层60。另一方面，当有机EL显示器1被用作静止设备的显示时，要求有机EL显示器1具有较宽的视角。因此，针对这种特殊的应用，可以使用具有较高的光散射能力的光散射层60。
参照图2已描述过衍射光栅30的光栅常数与在透明基板10和外部之间的界面上一级衍射光的入射角之间的关系，这种关系根据有机层42和前电极41的叠层的折射率而变化，或根据有机EL元件40所发出的光线的波长而变化。参照图3到6将对此进行描述。
图3示出了衍射光栅30的光栅常数与有机层42和前电极41的叠层的折射率之间的关系，该图对应于图1所示的有机EL显示器1。参照图3，横坐标表示衍射光栅30的光栅常数，纵坐标表示在透明基板10和外部的界面上一级衍射光的入射角。参照图3，曲线101表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是1.55(＝玻璃的折射率)时所获得的数据。曲线102表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是1.80时所获得的数据。曲线103表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是2.00(＝ITO折射率)时所获得的数据。除了叠层的折射率像上述那样变化这一点不同以外，图3所示的数据是在与参照图2所描述的条件相同的条件下执行仿真而获得的。
假定有机EL元件40发出波长为530nm的光线，并且衍射光栅30的光栅常数介于0.21与0.54微米之间。从图3中可以很明显地看出，在这种情况下，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线的某些分量可以不受约束地出射到外部，而叠层的折射率在1.55与2.00之间。
图4示出了衍射光栅30的光栅常数与有机EL元件40发出的光线的波长之间的关系的一个示例，该图对应于图1所示的有机EL显示器1。图5示出了衍射光栅30的光栅常数与有机EL元件40发出的光线的波长之间的关系的另一个示例，该图对应于图1所示的有机EL显示器1。
参照图4和5，横坐标表示衍射光栅30的光栅常数，纵坐标表示在透明基板10和外部的界面上一级衍射光的入射角。参照图4和5，曲线111表示当波长为630nm时所获得的数据。曲线112表示当波长为530nm时所获得的数据。曲线113表示当波长为460nm时所获得的数据。
图4所示的数据是通过在与参照图2所描述的条件基本相同的条件下执行仿真而获得的，其中条件不同处在于有机层42和前电极41的叠层的折射率被设为1.55；从有机EL元件40中发出的光线的波长是像上述那样变化；在叠层的主要表面之间以膜表面的方向传播同时不断被反射的光线的前进方向是根据波长而变化的。图5所示的数据是通过在与参照图2所描述的条件基本相同的条件下执行仿真而获得的，其中条件不同处在于有机层42和前电极41的叠层的折射率被设为2.00；从有机EL元件40中发出的光线的波长是像上述那样变化；在叠层的主要表面之间以膜表面的方向传播同时不断被反射的光线的前进方向是根据波长而变化的。
对于发出红光和峰值波长为630nm的光的有机EL元件40而言，衍射光栅30的光栅常数被设定在0.22微米和1.15微米之间。从图4和5中可以很清楚地看出，在这种情况下，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线的某些分量可以出射到外部。尤其当衍射光栅30的光栅常数被设定在0.27微米到0.65微米之间时，可以使一级衍射光进入包括透明基本10在内的第二波导层，并且入射到第二波导层上的光线可以出射到外部而不必在意有机层42和前电极41的叠层(第一波导层)的折射率究竟是多少。对于发出绿光和峰值波长为530nm的光的有机EL元件40而言，衍射光栅30的光栅常数被设定在0.18微米和0.95微米之间。在这种情况下，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线的某些分量可以出射到外部。尤其当衍射光栅30的光栅常数被设定在0.21微米到0.57微米之间时，可以使一级衍射光进入包括透明基本10在内的第二波导层，并且入射到第二波导层上的光线可以出射到外部而不必在意有机层42和前电极41的叠层(第一波导层)的折射率究竟是多少。对于发出蓝光和峰值波长为460nm的光的有机EL元件40而言，衍射光栅30的光栅常数被设定在0.16微米和0.85微米之间。在这种情况下，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线的某些分量可以出射到外部。尤其当衍射光栅30的光栅常数被设定在0.19微米到0.47微米之间时，可以使一级衍射光进入包括透明基本10在内的第二波导层，并且入射到第二波导层上的光线可以出射到外部而不必在意有机层42和前电极41的叠层(第一波导层)的折射率究竟是多少。即，在第一波导层的反面上，从第一波导层进入第二波导层的光线可以有效地从第二波导层的光输出表面中出现。
因此，当对于所有的发出红光、绿光和蓝光的有机EL元件40而言衍射光栅30的光栅常数都应该被设为预定值的时候，衍射光栅30的光栅常数可以被设定在0.27微米到0.47微米的范围中。在这种情况下，对于所有的显示颜色而言，可以使一级衍射光进入包括透明基板10的第二波导层，并且入射到第二波导层上的光线可以通过其出射表面出射到外部。
当衍射光栅30的光栅常数应该在发出红光、绿光和蓝光的有机EL元件40之间有所不同的时候，在面对红有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.22微米到1.15微米的范围中。在面对绿有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.18微米到0.95微米的范围中。在面对蓝有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.16微米到0.85微米的范围中。在这种情况下，对于所有的显示颜色而言，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线中的某些分量可以出射到外部。
当衍射光栅30的光栅常数应该在发出红光、绿光和蓝光的有机EL元件40之间有所不同的时候，在面对红有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.27微米到0.65微米的范围中。在面对绿有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.21微米到0.54微米的范围中。在面对蓝有机EL元件40的那部分处，将衍射光栅30的光栅常数设定在0.19微米到0.47微米的范围中。在这种情况下，对于所有的显示颜色而言，可以使一级衍射光进入透明基板10，并且至少入射到透明基板10上的光线中的某些分量可以出射到外部而不必在意第一波导层的折射率究竟是多少。
图6示出了将在透明基板10和外部之间的界面上一级衍射光的入射角设为0°的一种条件。参照图6，横坐标表示有机EL元件40发出的光线的波长，纵坐标表示要将在透明基板10和外部之间的界面上一级衍射光的入射角设为0°的衍射光栅30的光栅常数。参照图6，参考数字121表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是1.55时所获得的数据。参考数字122表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是1.80时所获得的数据。参考数字123表示当有机层42和前电极41的叠层的折射率是2.00时所获得的数据。
如图6所示，用来将在透明基板10和外部之间的界面上一级衍射光的入射角设为0°的衍射光栅30的光栅常数并不限于0.35。根据有机层42和前电极41的叠层的折射率或从有机EL元件40中发出的光线的波长，光栅常数可以有所变化。
在图1所示的示例中，具有多个凹形结构的光透射层被用作衍射光栅30。衍射光栅30可以使用任何其它的结构。
图7是示意性地示出了图1所示的有机EL显示器的一种变体的部分截面图。该有机EL显示器1的结构与图1所示的有机EL显示器1基本上相同，不同之处在于，具有多个通透孔的光透射层被用作衍射光栅30。这样，衍射光栅30便可以使用各种结构。
形成于衍射光栅30上的诸多层也可以使用各种结构。例如，参照图7，用来填充衍射光栅30的通透孔的部分，即部分41a可以用不同于层41b的材料制作。
下面将对本发明的第二实施例进行描述。
图8是示意性地示出了根据本发明第二实施例的有机EL显示器的截面图。图8示出了其前表面朝上而其后表面朝下的有机EL显示器1。
该有机EL显示器1是一种顶部发光型有机EL显示器。因此，与第一实施例不同的是，基板10不需要具有透光特性。
在第一实施例中，底层12、TFT、中间层绝缘层17以及钝化膜18是按顺序形成于基板10上的。接触孔形成于栅极绝缘层14、中间层绝缘膜17和钝化膜18中。源极和漏极电极21通过接触孔以电的方式连接到TFT的源极和漏极。
衍射光栅30的反射层70和第一部分31(与钝化膜18集成在一起)按顺序形成于中间层绝缘膜17上。作为反射层70的材料，可以使用像Al这样的金属材料。在这个示例中，反射层70具有Mo/Al/Mo这样的三层结构，所以它可以通过与源极和漏极电极相同的工艺来形成。作为第一部分31的材料，可以使用像SiN这样的绝缘材料。
第一部分31的凹形结构是用由光透射绝缘材料制成的第二部分32来填充的，光透射绝缘材料可以是折射率高于第一部分31的保护层材料。即，在第一部分31和第二部分32的界面处折射率有所变化。此外，周期性的图样形成于该界面上。
具有光透射特性的背电极43并置在衍射光栅30上，同时彼此是分隔开的。在这个示例中，背电极43用作阳极，并且是由像ITO这样的透明导电氧化物制成的。
与第一实施例中描述的完全相同的隔离物绝缘层50也形成于衍射光栅30的第一部分31上。包括发光层在内的有机层42形成于背电极43上，背电极43暴露在隔离物绝缘层50中所形成的通透孔的内部，这与第一实施例相同。
具有透光特性的前电极41形成于隔离物绝缘层50和有机层42上。在这个示例中，前电极41是连续形成的阴极，以便所有的像素来共用。在这个示例中，有机EL元件40对应于第一波导层。
作为透光绝缘层的透明的保护膜80以及光散射层60按顺序形成于前电极41上。在这个示例中，透明的保护膜80对应于第二波导层。透明的保护膜80防止水从外部流入有机EL元件40，并且也用作平整层。作为透明的保护膜80的材料，可以使用透明的树脂。透明的保护膜80可以使用单层结构或多层结构。
偏振片可排列在透明的保护膜80与光散射层60之间。ND滤光片可以排列在光散射层60上。
在第一实施例中，衍射光栅30是被安排在有机EL元件40与用作透光绝缘层的基板10之间的，即在有机EL元件40的前侧。在第二实施例中，衍射光栅30是被安排在有机EL元件40与反射层70之间的，即在有机EL元件40的后侧。当使用这种结构时，可以获得与第一实施例几乎相同的效果。
当衍射光栅30被安排在有机EL元件40的背面上的时候，有机EL元件40发出的光线的某些分量在不通过衍射光栅30的情况下进入透光绝缘层。因此，为了使更多的光分量发生衍射，最好在有机EL元件40和透光绝缘层之间安排衍射光栅30。
在图8所示的示例中，衍射光栅30使用一种结构，其中第一部分31的凹形结构是用第二部分32来填充的。当衍射光栅30包括第一部分31和第二部分32时，可以使用任何其它的结构。
图9是示意性地示出了图8所示的有机EL显示器的一种变体的截面图。在该有机EL显示器1中，第二部分32包括用来填充第一部分31的凹形结构的部分32a；用来覆盖第一部分31的上表面的部分32b。除了这几点之外，图9所示的有机EL显示器的结构与图8所示的有机EL显示器1的结构相同。这样，衍射光栅30可以使用各种结构。
在第一和第二实施例中，作为衍射光栅30，可以使用一维格子或二维格子。为了使更多的光线发生衍射，后者是更有优势的。
在第一和第二实施例中，使用了透射光栅。或者，可以使用反射光栅。例如，图8所示的衍射光栅30可以省略，用来构成衍射光栅的突起和凹陷可以形成于反射层70的前表面上。
当衍射光栅30包括透光的第一部分31和用来填充形成于第一部分中的凹陷的第二部分32时，第二部分的光学特性应该不同于前述的第一部分31。如果第一部分31和第二部分32在折射率、透射率和反射率中的至少一方面中有所不同的话，那就足够了。通常，第二部分应该是透光的，并且其折射率应该与第一部分31不同。
形成于第一部分31中的凹陷的底部表面可以是第一部分31的表面，或者它可以是第一部分31的底层的表面。此外，图1所示的有机EL显示器1可以被视为具有这样一种结构，其中衍射光栅30用作图8所示的第一部分，电极41的一部分用作图8所示的第二部分32。第二部分32可以是由与电极41或43不同的材料制成的。
在有机EL元件40一侧，与相邻的层相比，包括在衍射光栅30中的第一部分31和第二部分32中的至少一部分可以具有更高的折射率。在相对于衍射光栅30的有机EL元件40一侧的层中，使用这种结构可促进多光束干涉。
如上所述，用在第一和第二实施例中的衍射光栅30的光栅常数是非常小的。即，为了获得根据第一和第二实施例的有机EL显示器1，一种形成超精细图样的技术是必需的。
不过，与半导体器件不同的是，在某些情况下要在制造该有机EL显示器1的过程中使用面积较大的基板。出于这个原因，在使用光掩模的正常光刻过程中，因基板的翘曲会出现散焦现象。因此，精准地传递光掩模的图样是很难的。通过使用下面的方法便可以解决这个问题。
图10是示意性地示出了形成衍射光栅30的方法的一个示例的截面图。参照图10，为了便于说明，略去了插放在基板10和衍射光栅30之间的组元作为一个示例，将对图1所示的形成衍射光栅30的一种方法进行描述。
在这种方法中，首先，随后要被用作衍射光栅30的连续膜30形成于像钝化膜18这样的底层膜上，而底层膜又形成于基板10主要的表面上。保护膜95形成于连续膜30上。
接下来，通过在由石英制成的透光基板91的主要的表面上形成遮光图样92来准备光掩模90。安排光掩模90时要使遮光图样92面对着保护膜95，并且光掩模90通过介电性的液体膜97与基板10保持接触。在这种情况下，保护膜95透过光掩模90暴光。
从基板10中去除光掩模90，并显出保护膜95。经过这样的处理，便获得了通过使保护膜95图形化而形成的保护层图样(未示出)。
连续膜30是通过使用保护层图样作为掩模来刻蚀的。使用上述方法，便获得了通过使连续膜30图形化而形成的衍射光栅30。注意到图8所示的衍射光栅30是可以通过如下步骤而获得的根据与上文所述相同的步骤形成第一部分31，之后，用第二部分32来填充凹形结构，其中制造第二部分32所用的材料的光学特性与第一部分31不同。
在这种方法中，安排光掩模90和基板10时要使它们像上文所描述的那样通过液体膜97而彼此保持接触。出于这个原因，即便当基板10弯曲时，遮光图样92和保护膜95之间仍然可以维持着预定的距离。另外，当安排光掩模90和基板10时已使它们通过液体膜97而彼此保持接触的时候，可以使遮光图样92和保护膜95之间的距离小于用于曝光的光线的波长。即，可以执行使用近场光的曝光过程。此外，在这种方法中，光掩模90的图样转移到保护膜95上而没有使之放大。因此，根据这种方法，可以很容易地形成光栅常数很精准的衍射光栅30。
在这种方法中，像上文所描述的那样，光掩模90的图样转移到保护膜95上而没有使之放大。出于这种原因，通常并不使用具有样品玻璃基板这种尺寸的光掩模90来进行弯曲的板面曝光。相反，通常使用尺寸较小的光掩模90来进行“分步-重复”的曝光。
在这种方法中，像上文所描述的那样使用了近场光。近场光是非传播型的，因此并不适合于对较厚的保护膜95进行曝光。例如，在形成较厚的保护层图样的过程中，可以形成较厚的下层保护层膜与较薄的上层保护层膜的叠层。更具体地讲，上层保护层膜可以按上述的方法使用近场光来进行图形化处理。下层保护层膜可以按干蚀(例如，使用等离子体的干蚀)的方法使用合成的保护层图样作为掩模来进行图形化处理。使用这种方法，便可以获得要被用于将连续膜30图形化的精确的保护层图样，该保护层图样还具有抗蚀性。
在上述方法中，通过将保护膜95图形化而获得的保护层图样被用作刻蚀掩模。保护层图样本身可以被用作衍射光栅30或第一部分31。
作为另一种形成方法，通过使用模具将周期性的图样转移(印刻)到绝缘层上，也可以获得衍射光栅30。
在第一和第二实施例中，使用了一种安排，通过使用有机EL元件40发出不同颜色的光，它可以在有机EL显示器1上实现全色显示。不过，有机EL显示器1可以使用一种能够实现单色显示的安排。通过将另一种安排用于有机EL显示器1，便可以实现全色显示。例如，通过使用发出白光的有机EL元件40以及彩色滤光片，便可以实现全色显示。或者，通过使用发出蓝光的有机EL元件40以及颜色转换滤光片，便可以实现全色显示。在后一种情况中，衍射光栅30最好被安排在有机EL元件40和颜色转换滤光片之间。当在单色光的情况中引起了衍射时，衍射光栅30的波长依赖性便不需要再考虑了。即，衍射光栅30的光栅常数只需要针对颜色转换之前的波长而达到最佳值就可以了。没有必要针对每种颜色都使衍射光栅30的光栅常数达到最佳值。
在第一和第二实施例中，作为自发光式的光学设备的一个示例，已对有机EL显示器1进行了描述。不过，上述技术可以应用于任何其它的光学设备。例如，上述技术可以应用于像照明设备这样的自发光式的光学设备。
对于本领域的技术人员而言，另外的优点和修改将是显然的。因此，就其更宽广的诸多方面而言，本发明并不限于本文所描述和示出的特定细节以及具有代表性的实施例。因此，在不背离所附的权利要求书及其等价方案所界定的精神和范围的情况下，可以作出各种修改。
权利要求
1.一种光学设备，它包括在其中发生多光束干涉的第一波导层；第二波导层，它包括与所述第一波导层面对面的背面以及作为光输出表面的前表面；以及放置在所述第二波导层的背面上并面朝着所述第一波导层的衍射光栅，其中所述衍射光栅的光栅常数被确定为使一级衍射光从所述第二波导层中出射，当在共面方向上传播、同时还在所述第一波导层中引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入所述衍射光栅时，产生了所述一级衍射光。
2.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.16微米到1.15微米的范围之内。
3.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.27微米到0.47微米的范围之内。
4.一种光学设备，它包括发光元件，它包括前电极、与所述前电极面对面的后电极以及光活化层，所述光活化层插放在所述前电极和所述后电极之间并包括发光层；透光绝缘层，它包括与所述前电极面对面的背面以及作为光输出表面的前表面；以及衍射光栅，它放置在所述绝缘层的背面上并面朝着所述发光元件，其中所述衍射光栅的光栅常数被确定为使一级衍射光从所述绝缘层中出射，当从所述发光元件中发出、并在共面方向上传播、同时又在所述绝缘层的背面上引起多次反射的光线中的强度最大的光分量进入所述衍射光栅时，产生了所述一级衍射光。
5.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.16微米到1.15微米的范围之内。
6.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.27微米到0.47微米的范围之内。
7.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备进一步包括发出红光的红发光元件、发出绿光的绿发光元件以及发出蓝光的蓝发光元件，其中在所述衍射光栅上面朝着所述红发光元件的那部分的光栅常数在0.22微米到1.15微米的范围内，在所述衍射光栅上面朝着所述绿发光元件的那部分的光栅常数在0.18微米到0.95微米的范围内，以及在所述衍射光栅上面朝着所述蓝发光元件的那部分的光栅常数在0.16微米到0.85微米的范围内。
8.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备进一步包括发出红光的红发光元件、发出绿光的绿发光元件以及发出蓝光的蓝发光元件，以作为发光元件，其中在所述衍射光栅上面朝着所述红发光元件的那部分的光栅常数在0.27微米到0.65微米的范围内，在所述衍射光栅上面朝着所述绿发光元件的那部分的光栅常数在0.21微米到0.54微米的范围内，以及在所述衍射光栅上面朝着所述蓝发光元件的那部分的光栅常数在0.19微米到0.47微米的范围内。
9.如权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数被确定为使所述一级衍射光入射到所述绝缘层上的入射角小于等于10°。
10.一种有机EL显示器，它包括有机EL元件，它包括前电极、与所述前电极面对面的后电极以及有机层，所述有机层插放在所述前电极和所述后电极之间并包括发光层；透光绝缘层，它包括与所述前电极面对面的背面以及作为光输出表面的前表面；以及衍射光栅，它放置在所述绝缘层的背面上并面朝着所述有机EL元件，其中所述衍射光栅的光栅常数被确定为使一级衍射光从所述绝缘层中出射，当从所述有机EL元件中发出、并在共面方向上传播、同时又在所述绝缘层的背面上引起多次反射的光线中的强度最大的光分量进入所述衍射光栅时，产生了所述一级衍射光。
11.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.16微米到1.15微米的范围之内。
12.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数落在0.27微米到0.47微米的范围之内。
13.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器进一步包括发出红光的红有机EL元件、发出绿光的绿有机EL元件以及发出蓝光的蓝有机EL元件，以作为发光元件，其中在所述衍射光栅上面朝着所述红有机EL元件的那部分的光栅常数在0.22微米到1.15微米的范围内，在所述衍射光栅上面朝着所述绿有机EL元件的那部分的光栅常数在0.18微米到0.95微米的范围内，以及在所述衍射光栅上面朝着所述蓝有机EL元件的那部分的光栅常数在0.16微米到0.85微米的范围内。
14.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器进一步包括发出红光的红有机EL元件、发出绿光的绿有机EL元件以及发出蓝光的蓝有机EL元件，以作为有机EL元件，其中在所述衍射光栅上面朝着所述红有机EL元件的那部分的光栅常数在0.27微米到0.65微米的范围内，在所述衍射光栅上面朝着所述绿有机EL元件的那部分的光栅常数在0.21微米到0.54微米的范围内，以及在所述衍射光栅上面朝着所述蓝有机EL元件的那部分的光栅常数在0.19微米到0.47微米的范围内。
15.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述衍射光栅的光栅常数被确定为使所述一级衍射光入射到所述绝缘层上的入射角小于等于10°。
16.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述衍射光栅被安排在所述前电极和所述绝缘层之间。
17.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器进一步包括被安排在所述背电极的背面上的反射层，其中所述背电极具有透光特性。
18.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器进一步包括被安排在所述背电极的背面上的反射层，其中所述背电极具有透光特性，并且所述衍射光栅被安排在所述背电极和所述反射层之间。
19.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述绝缘层包括透明基板。
20.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述绝缘层包括透明保护膜。
21.如权利要求10所述的有机EL显示器，其特征在于，所述有机EL显示器属于有源矩阵型。
22.一种光学设备，它包括光线在其中传播的第一波导层；第二波导层，它包括与所述第一波导层面对面的后表面以及作为光输出表面的前表面；以及放置在所述第二波导层的背面上并面朝着所述第一波导层的衍射光栅，其中所述衍射光栅的光栅常数被确定为使得从所述第一波导层中出射并进入所述第二波导层的光线在所述第二波导层的前表面上发生的全反射被抑制。
全文摘要
提供了一种光学设备(1)，该设备包括第一波导层(41，42)，多光束干涉发生在该层中；第二波导层(10)，它包括与第一波导层(41，42)面对面的后表面和作为光线输出面的前表面；以及衍射光栅(30)，它被安排在第二波导层(10)的背面上并面对着第一波导层(41，42)，其中确定该衍射光栅(30)的光栅常数时要使一级衍射光从第二波导层(10)中出射，一级衍射光是当在共面方向上传播、同时还在第一波导层(41，42)中引起多次反射的、具有最高光强的光分量进入衍射光栅(30)时产生的。
文档编号H01L27/32GK1806270SQ200480016360
公开日2006年7月19日 申请日期2004年8月12日 优先权日2003年8月13日
发明者奥谷聡, 上村强, 久保田浩史, 冈田直忠, 户野谷纯一, 铃木启之, 大川秀树 申请人:东芝松下显示技术有限公司, 株式会社东芝
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