CN104321689A - 基于纳米棒的荧光发射的三维显示*** - Google Patents

基于纳米棒的荧光发射的三维显示*** Download PDF

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Abstract

发光器件(10)包括多个对齐的纳米棒。显示设备(100)包括发光器件(10)、光源单元(50)和被配置为操作电极排列(20)的控制单元(60)，即提供适当的像素(12)的电极(22A、22B)之间的电压以调制对应纳米棒的发光。通过选择性地调制器件(10)的不同像素中纳米棒的发光，能够实现所显示图像的变化。光源(50)被配置为由相对短波长如UV或紫光范围照射纳米棒，从而向纳米棒提供光泵浦。两个像素组(12A、12B)内纳米棒的垂直对齐轴能够产生具有两种正交偏振(P1、P2)的照射图案。这样的照射图案能够用于提供显示***中的三维效果并且使观众能够使用偏光镜眼镜观察三维图像。优选情况下，图案化的偏振滤光器位于所发出的光的光路中以改进所发出的光的偏振比。

Description

基于纳米棒的荧光发射的三维显示***
技术领域
一般来说，本发明处于发光结构的领域，并且涉及发光器件以及采用它的显示器件。本发明在采用来自纳米颗粒的受调制的下转换发射产生的不同地偏振的光的三维显示器中尤为有用。
背景技术
光的偏振性质用于多种光学应用(产品和方法)中，从平板液晶显示器(LCD)延伸到显微学、冶金学检查和光通信。大多数可用的光源产生非偏振光，光的特定偏振的选择通常使用各种类型的偏光镜实现。使用偏光镜选择具体偏振通常带来能量损失的代价；当在使用非偏振光源的情况下，使用简单的被动式(不发光)偏光镜提供偏振照明时，照射光的近似50％可能损失掉。
非偏振光源所发出光的高效偏振选择能够通过把被动式(不发光)聚合物膜置于所发出光的光路中实现。这些膜可以重复利用一光，并因此增强了期望偏振的光透射。光的重复利用是基于把不需要的偏振的光分量反射到反射表面，从而产生多次反射的光分量，它们在后续反射之后去偏振，因此至少一些光分量在每次反射后透射。不过，生产这样的被动式***复杂且昂贵，因为为了高效地重复利用光需要有多个层。重复利用通过偏光镜的背光输出的另一种“被动式”方法使用反射纳米线栅格偏光镜(Ge,Zhibing和Wu,Shin-Tson,“Nanowiregrid polarizer for energy efficient and wide-view liquid crystaldisplays”,Applied Physics Letters,93,121104,2008)。
以上介绍的被动式方法使背光***的设计复杂且昂贵。它们在提高所发出光的色域质量时也无作用，因为它们是波长相关的。事实上，需要保持原始背光的色域使背光***的层结构进一步复杂。
各向异性的(纵长的)纳米颗粒，比如纳米棒(本文有时也称为“棒”)，公知为能够提供偏振化的发射。在转让给本专利申请的受让人的WO 2010/095140中也介绍了它。
为此目的WO 2010/095140介绍了在显示图像时所用的光学显示器件和方法。此光学显示器件包括光学显示器件，包括：至少一个纳米结构的区域，可用作光学有源介质，使得所述纳米结构响应输入的电磁辐射以发射输出的电磁辐射；以及电极排列，被配置为并可用于选择性地寻址以对所述至少一个纳米结构的区域创建外部电场，所述纳米结构的区域和所述电极排列一起限定了所述显示器件的像素排列；影响着所述至少一个纳米结构的区域的外部电场选择地调制所述输出的电磁辐射的发射，所述输出的电磁辐射为显示器件的至少一个像素元件的输出。提供偏振化的发光的一些纳米棒***在以下文献中介绍：
X.Peng等人,“Shape control of CdSe nanocrystals”,Nature 404,59-61,2000介绍了聚合物中嵌入的基于胶体的半导体核(无壳)CdSe纳米棒。从单棒能够获得接近完全偏振。
T.Mokari和U.Banin,“Synthesis and propertiew of CdSe/ZnSrod/shell nanocrystals”,Chemistry of Materials 15(20),3955-3960,2003介绍了通过在棒结构上生长壳使棒的发光增强。
D.V.Talapin等人,“Seeded Grouth of Highly LuminescentCdSe/CdS Nanoheterostructures with Rod and TetrapodMorphologies”,Nano Letters 7(10),pp 2951-2959,2007介绍了对种子纳米棒(seeded nanorod)颗粒实现的量子生产率改进。
C.Carbone等人,“Synthesis and Micrometer-Scale Assembly ofColloidal CdSe/CdS Nanorods Prepared by Seeded GrowthApproach”,Nano Letters 7(10),pp 2942-2950,2007介绍了种子棒的偶极图案发射，即源自棒中心而不是其两端的发射。
三维(3D)显示***对视频观众提供了巨大的提升。当前已出现的3D显示***采用两种主要方法，第一种是基于光的偏振而第二种是基于顺序显示。
通过提供由观众的一只眼睛观看的一种偏振状态的第一图像而提供另一只眼睛观看的正交的(如垂直的)偏振状态的第二图像的3D图像投影特别用于电影院。采用两台投影机把影片同时投影到屏幕上，每台投影机提供一种偏振状态图像，把两部独立的影片投影到观众的双眼上。观众需要使用相关的偏振眼镜，它们被配置为使得每只眼睛仅仅接收对应的图像。例如，右眼镜包括阻塞一种偏振状态的光而透射正交偏振状态的光的偏光镜，而左眼镜包括正交的的偏光镜。
作为替代，图像的交替显示典型情况下用于电视显示器和类似设备中。每只眼睛的图片被顺序地显示(左，然后右，然后左，然后再次右，以此类推)。观众必须佩戴主动快门眼镜设备，它根据显示序列同步地把光透射到一只眼睛而阻止光到达另一只眼睛。
发明内容
本领域需要新颖而简单的技术来使得能够进行图像(如视频流)的同时显示/投影以提供三维显示效果。不仅如此，还期望使得能够在从相对小型的手持或可穿戴设备到非常大型的墙壁尺寸显示屏的广泛范围的显示器/投影机设备中使用这种技术。采用本发明技术的显示器/投影设备可以被配置为用于多种目的，如用于便携、家用、商业和工业电子装备中，包括通告和通知显示应用，或者进一步在建筑物外观装饰中，作为刚性的或柔软的显示设备。
本发明的技术采用有源介质的发光性质，包括(胶体)各向异性纳米颗粒，并且具体是纳米棒。应当理解，为了本申请的目的，术语光学有源介质是指以发光性质为特征的介质。所以，术语光学有源和发光在以下说明中可互换地使用。本发明人已经发现，发光的各向异性纳米颗粒以偶极似的空间分布产生基本上偏振的发光。典型情况下，颗粒发出几乎沿着颗粒的长轴线性偏振的光。并且所发出的光在与此长轴垂直的平面内强度更高。此外，在根据本发明的发光器件中可以使用的各向异性的纳米颗粒是能够响应不同(更短)波长范围的光泵浦辐射而发出一定波长的光的纳米颗粒。被泵浦的颗粒的发光强度能够通过向其施加电场而调制，因此不同纳米颗粒的发光能够以电气方式控制。
因此，本发明提供了一种发光器件，适于用在显示器/投影机设备中，比如平板屏幕，来以变化的空间分布提供了单色或多色光。此发光器件包括像素阵列，其包括两组或更多组像素(所发出的光具有不同的光学性质)以及电极排列。这些像素包括多个发光纳米棒，其排列为使得特定像素的纳米棒沿着特定的预定轴对齐。不同组的像素之间的区别是纳米棒的对齐轴不同，包括垂直的轴。
沿着共同轴对齐的纳米棒的组产生基本上偏振化的光。所以，沿着垂直的轴对齐的不同组的像素的纳米棒发出两种基本上正交偏振的光部分。使用适当的滤光器，这些光部分可以划分为两种不同的光图案(结构化的光)。
如上所述，像素阵列可以包括两组像素，它们之间的区别是发光纳米棒的对齐轴。此外，两组像素的每一组都可以包括三个或更多纳米棒子组，其发出以三个或更多不同波长(如红色、绿色和蓝色)为中心的光，从而提供彩色图像。
与不同像素相关联的电极排列使得能够进行光发射的振幅调制，因此器件能够发出具有不同空间结构化的图案的光，并同时产生一幅或多幅图像或者图像序列。一般来说，对特定像素的纳米棒的电场施加调制这些纳米棒的光发射，并使像素输出暗淡/明亮。所施加的电场可以引起(响应于光泵浦辐射的)纳米棒的荧光发光熄灭，从而影响从像素发出的光的强度，正如在转让给本专利申请的受让人并通过引用结合在这里的上述WO 2010/095140中更详细的介绍的。
因此，根据本发明的主要方面，提供了一种包括像素阵列和电极排列的发光器件。像素阵列包括第一组像素和第二组像素，其分别包括分别沿着第一和第二预定轴对齐的第一多个发光纳米棒和第二多个发光纳米棒，这些轴基本上彼此垂直。并且所述像素阵列的像素与所述电极排列的多个电极元件相关联，从而通过可控地施加电场，使得能够与所述像素阵列的一个或多个其他像素独立地进行一个或多个像素的发光的调制。所以此器件被配置为并用作有源像素发光器。
根据某些实施例，响应与第二预定波长范围的泵浦辐射，发光纳米棒发出第一预定波长范围的光。第一波长范围可以包括可见光谱的波长。所述第一组像素和第二组像素的对齐的发光纳米棒可以分别发出两种基本上正交偏振的光。此外，发光纳米棒可以发出偏振比高于1.5的光。应当注意，偏振比被定义为以具有平行于和垂直于纳米棒对齐方向偏振的发出的光分量之间的强度比。
根据本发明的某些实施例，电极元件被配置为并用于向一个或多个像素施加电场，从而使来自该一个或多个像素的光发射熄灭。电极元件可以被配置为分别对于多个像素限定电极元件的多个专用对，从而使得能够对各个像素进行独立的电场调制。
发光纳米棒可以包括被配置为发出至少三个不同波长的光的纳米棒。发出不同波长的光的纳米棒可以与所述像素阵列的不同像素相关联。
此器件可以包括承载发光纳米棒的支撑结构。优选情况下，此结构被配置为使像素阵列能够被暴露到泵浦辐射。此器件也可以包括被配置为并用于向所述发光纳米棒提供光泵浦辐射的光源。
此器件可以包括位于所发出的光的光路中的图案化的偏振滤光器。典型情况下，图案化的偏振滤光器被配置为改进从所述两组像素发出的光的偏振比。作为补充或作为替代，此器件可以包括位于从所述发光纳米棒发出的光的光路中的偏振旋转器。偏振旋转器可以被配置为改变所发出光的偏振从而产生圆偏振光。偏振旋转器可以被配置为改变所发出光的正交偏振以分别产生两种相反圆偏振的光。
根据某些实施例，电极排列和像素阵列被安排在共同的平面中。与第一像素和第二组像素的像素相关联的电极元件可以被配置为分别沿着分别基本上平行于所述像素的纳米棒的第一对齐轴和第二对齐轴的两个轴施加电场。
根据某些其他实施例，电极排列可以包括分别位于第一和第二平面内的第一组电极元件和第二组电极元件。在这种配置中，像素阵列位于所述第一平面与第二平面之间的平面中。
此器件中的纳米棒可以被嵌入在对泵浦光和所发出的光光学透明的载体中，或者被沉积在对泵浦光和所发出的光中的至少一者光学透明的基底载体上。
纳米棒可以由一种或多种半导体材料制成，并且可以具有纵横比至少为2的纵长的几何形态。纳米棒可以具有被配置为种子棒的核-壳结构，其种子具有球形或棒形几何形态。
根据某些实施例，此器件可以被配置为并用于发出分别由第一多个发光纳米棒和第二多个发光纳米棒发出的光形成的不同的第一光学性质和第二光学性质的图案化的光，从而使得能够进行第一不同图像和第二不同图像的同时成像。
根据本发明的某些其他主要方面，提供了一种有源像素显示设备。此有源像素显示设备包括泵浦光源；如上所述的发光器件，被安排为使得纳米棒被暴露到泵浦光；以及控制单元，被配置为操作电极排列以控制向所述像素阵列中选定的一个或多个像素施加电场。控制单元可以用于使得向第一组像素和第二组像素的一个或多个选择性地施加电场，从而使得能够进行两个独立图像的同时显示。此显示设备可以被配置为对图像流的显示实现三维效果。
附图说明
为了理解本公开并了解在实践中可以如何实行本公开，现在将参考附图仅仅通过非限制性实例的方式介绍若干实施例，其中：
图1展示了根据本发明实施例的发光器件；
图2展示了根据本发明某些实施例的、被配置为实现三维显示效果的显示设备；
图3A和图3B更具体地例示了根据本发明的显示设备能够如何为观众提供三维效果，其中图3A展示了像素排列而图3B显示了观众使用的眼镜；
图4A和图4B显示了本发明的发光器件中用于调制不同像素的纳米棒的发光的电极排列的结构的两个实例，其中图4A显示了平面内结构而图4B显示了三平面结构；以及
图5例示了用于使得能够产生三维效果的多色显示的像素排列。
具体实施方式
参照图1，其展示了根据本发明某些实施例的发光器件10。器件10包括像素阵列12和电极排列20，该像素阵列包括两组(一般来说至少两组)像素，即像素12A和像素12B。电极排列20包括多个电极元件并且被配置为向一个或多个像素独立地施加电场。在本非限制性实例中，电极排列20被配置为使其限定了多对电极元件，每对电极元件都与专用的像素相关联。更具体地说，独立的电极元件22A和22B在图中显示为属于专用的像素。这样的配置使得能够进行对来自像素的光学有源介质的光发射的强度的单独调制。
光学有源介质包括发光各向异性颗粒，如纳米棒(比如半导体纳米棒)，其被沿着标注为P1和P2的预定交叉轴排列/对齐。不同地对齐的纳米棒分别形成了不同的像素。两组像素内的纳米棒的对齐轴可以被选择为基本上垂直。应当注意，下文所用的术语“基本上垂直”实际上意味着纳米棒的对齐轴垂直达具有特定不可避免的误差的程度。像素内对齐的光学有源(发光)纳米棒典型地发出具有在3.3到4.7之间变化的PR值的光，因此可以看到图像之间的特定交叠。也应当注意，对齐的纳米棒典型地发出具有已定义的偏振特征的光。发出的光以偏振比(PR)为特征，该偏振比是以平行于纳米棒对齐方向的偏振发出的光分量与以垂直于纳米棒对齐方向的偏振发出的光分量之间的强度比。应当注意，1.1或更高的PR值表明所发出光的偏振轴的优选朝向并且从而表明纳米棒的优选对齐轴。对齐的纳米棒中PR的典型值被测出为在2到5.0之间，并且某种实验测量结果提供了6以上的更高的PR值。优选情况下，为了在根据本发明的发光结构中使用，对齐的纳米棒提供的发光具有高于1.5的PR值，或者高于2甚至更优选情况下高于3的PR值。
如图1所示，电极元件22A和22B被配置为提供具有这样的场分布的电场：该场分布使得每个电极对之间的场线(即电势的梯度)几乎平行并且使得由一组像素的电极对产生的场线与另一组像素的电极对产生的场线基本上垂直。在电极元件之间，纳米棒被在像素区域内沉积并对齐，使得其长轴基本上平行于电场线(与电极长维度方向垂直)。每组像素内的纳米棒的对齐引起来自于纳米棒的基本上偏振化的发射，因此从不同组像素发出的光分量在两个垂直方向上偏振化。不过应当注意，并且将在下面介绍，不同像素的区域内的电极排列的其他结构以及其他电场分布也是可能的。
响应于第二预定波长范围的光泵浦，发光纳米棒典型地发出根据纳米棒的材料成分和几何性质确定的第一预定波长范围的光，该第二预定波长范围短于所发出光的波长(如UV或紫色泵浦)。因此，发光器件10可以与以适当波长范围提供泵浦光辐射的光源相关联。此外，像素阵列12可以包括的像素具有被配置为发出不同波长的光的对齐的纳米棒。典型情况下，纳米棒被配置为发出一般为可见光谱的第一波长范围的光。不过，为了能够进行多色发光(从而实现多色显示)，像素阵列包括具有纳米棒的像素，该纳米棒被配置为发出在所述第一波长范围内的、一般至少三种颜色(原色)的不同颜色的光，能够一起产生彩色图像。例如，典型的显示技术采用RGB彩色方案，并且某些显示技术包括黄色作为用于显示的附加色。
应当注意，尽管没有具体地示出，但是像素阵列12可以包括支撑结构，该支撑结构承载着光学有源介质(纳米棒)并且被配置为使得纳米棒能够被暴露于泵浦光。例如，此结构可以包括纳米棒嵌入其中的载体，在这种情况下此载体具有光学窗口(如透明的光学窗口)，既用于泵浦波长范围又用于发射的波长范围；或者，纳米棒也可以沉积在载体的表面上，在这种情况下后者可以对泵浦波长范围和发射的波长范围的任一或二者透明。
通过对纳米棒施加外部电场，纳米棒的发射能够被调制。因为例如感应的电子-空穴的空间分离(在这里被称为“电荷分离”的效应)，外部电场可以引起荧光发射的熄灭。这个过程对纳米棒的发光强度有显著影响。为了荧光发射的有效熄灭，电场分布使得电场线(即电势的梯度)基本上平行于纳米棒的对齐轴。应当注意，在与像素共同的平面中电极元件的配置能够被用在纳米棒的对齐过程中，以提供与电场线基本上平行的对齐轴。例如，通过在纳米棒沉积到基底的过程中施加电场，纳米棒将遵从电场线并且沿着期望的轴对齐。
一般来说，能够提供偏振化的发射的任何纳米棒或纵长的各向异性纳米颗粒都能够用在适于用在本发明的器件中的光学有源介质中。典型情况下，这样的纳米棒应当具有至少2的纵横比(其长度与截面尺寸之间的比值)。纳米颗粒可以是单一成分半导体的各向异性半导体纳米棒或者核/壳纳米棒，其中核为第一种半导体而壳层为第二种半导体。典型情况下，纳米棒的核/壳结构可以响应于光泵浦而加强光发射，不过由单一半导体材料制成的纳米棒也可以提供足够的发光。可以为了本发明的目的用作光学有源介质的纳米颗粒的其他实例为核/多壳纳米棒、壳为分级成分(graded composition)的核/壳结构的纳米颗粒以及种子棒。后者可以基于被第二种半导体材料的棒形壳覆盖的、一种半导体材料的近乎球形的核种子或棒形的种子。纵长的(棒形的)壳赋予发光各向异性性质。种子纳米棒可以具有不对称地位于纵长壳内的种子(或核)。典型情况下，此核可以位于纵长颗粒的长度的大约四分之一至二分之一处，但是其他位置也是可能的。种子的典型尺寸可以在1至20nm之间，更确切地说截面尺寸(直径)在2至10nm之间。除了第一壳，为了稳定性和光学功能，可以包括其他壳层。光学有源介质可以被调整为提供多色发光，正如多种应用所要求的。已经发现，一般来说全部的各向异性棒都发出基本上线性偏振的光，该光沿着与棒的长轴平行的轴偏振(可以改变偏振的程度)。种子本身也可以具有纵长的形状或棒形结构(如纵横比为2或更高)，进一步增强最终结构的偏振程度。关于这个特定非限制性实例的、通过引用结合到这里的PCT公开WO 2012/035535中介绍了适于用在本发明的光学有源介质中的种子棒的某些实例。
正如以上指出，可用于本发明目的的各向异性纳米颗粒(纳米棒)典型情况下由半导体材料制成。适当的半导体材料可以为例如II-VI、III-V或IV-IV半导体族或者这样的半导体材料的结合的形式。在转让给本专利申请的受让人的上述PCT文献WO 2010/095140中介绍了本发明的发光器件中所用的材料成分。这些半导体材料可以选自CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnO、GaAs、GaP、GaAs、GaSb、HgS、HgSe、HgTe、InAs、InP、InSb、AlAs、AlP、AlSb、Cu2S、Cu2Se、CuInS2、CuInSe2、Cu2(ZnSn)S4、Cu2(InGa)S4、TiO2及其合金，以及这样的材料的混合物。这个材料列表可以指棒材料(在单一半导体纳米棒的情况下)、核与壳材料(在核/壳纳米棒中)，或者种子棒结构中的种子和棒材料。
纳米棒结构可以被表面配体(ligand)覆盖。附加配体也可以用于改进/改变纳米棒的配方(formulation)。常用的表面配体包括磷化氢和氧化膦，比如三辛基氧化磷(TOPO)、三辛基膦(TOP)和三丁基膦(TBP)；磷酸，比如十二烷基磷酸(DDPA)、十三烷基磷酸(TDPA)、十八烷基磷酸(ODPA)和己基磷酸(HPA)；胺，比如十二烷胺(DDA)、十四烷胺(TDA)、十六烷胺(HDA)和十八烷胺(HDA)；硫醇，比如十六烷硫醇和己烷硫醇；以及巯基羧酸，比如巯基丙酸和巯基十一酸。也能够使用为特定目的定制的其他配体。
整个纳米棒结构的长度范围可以在8nm至500nm之间，优选情况下在10至160nm之间。棒的整体直径可以在1-20nm之间，更具体地在1-10nm之间。典型的纳米棒具有高于2的长度/直径纵横比，或优选情况下高于3的纵横比。
通过控制纳米棒的尺寸和/或材料成分，各向异性纳米棒响应泵浦光的发光波长(颜色)能够被适当地选择。这种调谐/调整发光波长的灵活性使得能够进行发光器件颜色的大幅变化，从而产生显示所要求的基色。例如，单一类型的棒样本能够用于单色显示器的单色背光源，或者以不同颜色发光的两种或更多不同棒的结合能够用于彩色显示。此外，(由多色显示器提供的三种或更多颜色的)每种颜色都可以由被配置为(典型情况下通过尺寸变化)发出围绕选定颜色(对应于中心波长)的特定波长分布的光的纳米棒的组合产生。因此，每个像素都可以包括特定尺寸分布的对齐的纳米棒，以提供具有围绕中心波长(如红色、绿色或蓝色)的选定分布的光学发射。具有共同对齐轴(即发出相同偏振的光)的像素组可以包括由被配置为响应泵浦光的纳米棒通过发射不同颜色的光而形成的像素。
本发明的发光器件10或其对应于单一像素或像素的集合的若干区段可以生产为一层，其包括在由玻璃或聚合物制成的基底(载体)上放置(沉积)的对齐的纳米棒。作为替代或作为补充，器件10可以包括嵌入了纳米棒并且提供期望的机械、化学和光学性质的矩阵材料形式的载体。矩阵材料能够选自若干材料，比如聚合物(由液体或半固体前驱物材料比如单体形成)、环氧树脂、硅树脂、玻璃或者硅树脂与环氧树脂的混合物。聚合物的特定实例包括若干聚合物，选自氟化的聚合物、聚丙烯酰胺的聚合物、聚丙烯酸的聚合物、聚丙烯腈的聚合物、聚苯胺的聚合物、聚二苯甲酮的聚合物、聚(甲基异丁烯酸盐)的聚合物、硅树脂聚合物、铝聚合物、聚碳酸酯的聚合物、聚丁二烯的聚合物、聚二甲基硅氧烷的聚合物、聚乙烯的聚合物、聚异丁烯的聚合物、聚丙烯的聚合物、聚苯乙烯的聚合物和聚乙烯聚合物。在某些实施例中，这些聚合物可以选自聚乙烯和氟化的聚合物。在某些其他实施例中，聚合物可以是聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯。带有嵌入的纳米棒的这样的矩阵的厚度范围可以为从100纳米至50微米(在这些实例中该单位也用复数形式表示)，优选情况下从0.5微米至25微米，更优选情况下在2微米至10微米之间。
正如以上指明，各向异性纳米颗粒(即相对于两个更短轴具有一个更长轴的纳米颗粒)的光发射(典型情况下由于荧光性)以优选偏振轴为特征。例如，从对齐的纳米棒的集合由荧光发出的光以基本上线性偏振为特征，其中典型情况下由对齐的纳米棒的集合发出光强度的至少51％或者强度的至少60％在所限定的优选偏振内。在某些配置中，对齐的发光纳米棒的发光情况可以发射光，使得所发射的光的强度的大约70％以上具有期望的偏振状态。正如以上指明，所发出光可以以偏振比PR为特征，它限定了沿着纳米棒的对齐轴偏振的光分量强度与垂直于对齐轴偏振的光分量强度之间的比值。
应当注意，尽管图1中没有具体地显示，但是发光器件10可以包括位于所发出光的光路中的附加的偏振滤光器。偏振滤光器可以是附着到发光器件10的结构的独立的光学元件，也可以形成为作为结构10的整体部分的层，并成为结构本身的层(如线栅(Wire Grid)偏光镜或单元内(In-Cell)偏光镜)。为此目的，典型情况下图案化的偏振滤光器形成为图案化的偏振元件(滤光器)的层，该图案化的偏振元件典型情况下包括与两组像素的像素排列对应的图案，使得从每组像素发出的光都被适当地过滤以改进偏振特征。更具体地说，图案化的偏振滤光器可以包括多个偏光镜，其被安排为使得能够进行来自两组像素的每个像素的优选偏振朝向的透射。偏振滤光器可以是附着到器件10的发光表面的附加层。优选情况下，滤光器附着到发光表面的方式为使从滤光器的反射最小(即，提供滤光器与所述表面之间的适当光学接触)。应当注意，这样的图案化的偏振滤光器层改进了每个像素的PR。此外，由于以下事实，偏振滤光器造成的能量损失相对低：从对齐的纳米棒发出的光至少部分地偏振并且被阻塞的光分量(与滤光器的偏振不同的偏振的光分量)比总发光强度的50％小得多的事实。
以上介绍的发光器件典型情况下可以整合到显示***中，比如便携式或家用电子设备的显示单元(如TV屏幕、显示投影机)。对图2进行参照，它例示了显示设备100，其包括以上介绍的发光器件10、光源单元50和控制器60，该控制器被配置为操作电极排列20，即，提供适当像素12的电极22A与22B之间的电势(电压)，以调制对应纳米棒的发光。通过选择地调制器件10的不同像素中的纳米棒的发射，能够实现所显示图像的变化。光源50被配置为以相对短的波长(如UV或紫色范围)照射纳米棒从而向纳米棒提供光泵浦。典型情况下，光源50被配置为背光源。不过，在某些实施例中并根据器件10的配置，光源50可以位于发光器件10的一侧或多侧。正如以上指明，优选情况下图案化的偏振滤光器位于所发出的光的光路中并且被配置为改进所发出的光的PR。这样的图案化的偏振滤光器降低了偏振朝向之间的串扰。这实现了由观众所用的偏光镜眼镜的高效滤光。应当注意，可以使用位于发光结构(像素阵列)与观众之间的附加膜，用于把所发出光的线性偏振转换为圆偏振或偏振光的变角度朝向。此外，多种光提取元件可以附着到像素阵列，或者置于所发出光的光路中、关于偏振滤光器的上游或下游。这样的光提取元件(如棱镜、棱锥、显微镜头等)可以用于改进诸如方向性的参数或者降低所发出的光的泄漏。优选情况下，一切光提取元件，以及器件中所用的一切其他滤光器(如滤色镜)都被配置为维持偏振的光学元件，从而保持所发出的光的偏振特征。
应当注意，光源单元50可以是单一光源或者独立光源的阵列，被配置为向独立的像素12或向位于近邻的像素的集合提供光泵浦。也应当注意，光源的阵列可以通过侧面泵浦或者通过背面照射来照射若干像素或若干像素的集合。光源单元50的不同配置可以用于利用泵浦光的不同滤光技术。也应当注意，多个独立的泵浦光源可以实现更高的灵活性，用于产生不同的照射图案(不同图像的显示)，如提供“局部调光”。正如以上指明，发光介质(纳米棒)可以嵌入在被配置为能够使得纳米棒能够暴露到泵浦光的载体/支撑结构中，并且载体可以具有既用于泵浦又用于所发射的波长范围的光窗口(例如，透明的)；或者，发光介质也可以沉积在对泵浦的和/或发射的波长范围透明的载体表面上。
一般来说，从纳米棒向多个方向发光。不过为了提供显示***，优选情况下所发出的光应当指向一定的方向，从而沿着与结构的特定表面垂直的方向离开该结构。为此目的，(平面或非平面)表面上纳米棒的排列使所发出光的大部分在与此表面垂直的方向上提供相对定向的照射。至少部分反光的反光层可以置于沿着此表面的背侧，把向后发出的光分量反射为朝向观众。优选情况下，反射表面保持偏振并且被配置为透射泵浦光同时反射所发出的光。例如纳米棒可以置于/沉积在被配置为允许泵浦光通过但是反射所发出光的二色性的材料上。作为替代或作为补充，二色性的或其他部分反射层可以置于保持纳米棒的基底与泵浦光源(或者在侧面泵浦情况下指引泵浦光的光导楔(wedge))之间。至少对所发射的光波长透明的附加透明层可以在光朝向观众发射的光路中置于纳米棒本身上，被配置为允许所发出的光透射同时阻塞泵浦光到达观众(如UV滤光层)。
两个像素组(12A和12B)内纳米棒的垂直对齐轴使得能够产生具有两个正交偏振P1和P2的照明图案。这样的照明图案能够用于提供显示***中的三维效果并且使观众能够使用偏光镜眼镜(被动式眼镜)来观看三维图像。此眼镜由偏振滤光器制成，从而使一种偏振朝向(偏振状态)的光透射到每个用户的一只眼睛，同时阻塞正交偏振的光，从而使得能够进行适当地配置的图像或图像流(视频)的3D观看。更具体地说，利用根据本发明的发光器件10的显示***100能够使用第一组像素和第二组像素的像素显示两幅不同的图像，使得佩戴适当眼镜的观众能够以其右眼看见一幅图像而以其左眼看见另一幅图像。对观众的左右眼这样的独立成像在不同的图像被适当地调整时能够提供三维效果。应当注意，典型情况下为了提供逼真的3D效果，需要采集或至少适当地处理视频。
图3A和图3B展示了发光器件10的使用，典型情况下它整合在显示***100中，用于观看(一个或多个)三维图像。图3A显示了发光器件10的像素排列，其包括发出正交偏振P1和P2的光的两组像素，并且图3B显示了偏振眼镜70，由观众佩戴以便提供三维效果。偏振眼镜被配置为使得一片眼镜包括透射偏振P1的光的滤光器而第二片眼镜包括透射偏振P2的光的滤光器。当观众佩戴这样的眼镜时，其一只眼睛将接收由器件10的像素12A发出的光，而另一只眼睛将接收由像素12B发出的光。一般来说，此显示***可以被配置为提供来自略微移动的观点的两幅图像，其分别由两组像素产生。应当注意，如上所述，此发光器件可以包括偏振旋转器，被配置为旋转所发出光的偏振和/或把线性偏振变换为圆偏振状态。一般来说，偏振P1和P2对应于两个正交偏振状态，比如水平和铅垂线性偏振(一般来说任何两个线性正交偏振状态)，或者作为替代的顺时针和逆时针圆偏振。应当注意，尽管这些图显示了所发出光的线性偏振和典型情况下用于眼镜中的线性偏光镜，但是圆偏振可能在有些时候是优选的。不仅如此，由适当的滤光器可以分离的任何两种正交偏振状态都可以使用。
现在参考图4A和图4B，展示了与发光器件的单一像素12相关联的电极元件22A和22B的两种可能结构。图4A显示了具有指形结构(“梳形”结构或交叉指型电极单元结构)的电极单元的平面内结构的实例，而图4B显示了电极的夹层结构。在平面内结构中，电极22A和22B被安排在像素阵列12的平面内并且可用于提供场线基本上平行于纳米棒24的对齐轴P的电场。这个附图中显示的电极22A和22B是由交叉指型结构中安排的多个电极指装配成的电极单元。优选情况下，这种交叉指型结构提供了基本上平行的电场线(尽管电场的方向可能在不同的电极单元(指)之间交替)。应当注意，电极22A和22B也可以被配置为类似于电容器的组装件，使得仅有两个电极位于像素区域和纳米棒24的对立两侧。两个电极的相邻指之间的距离在下文被称为间隙，并且是所施加的电场作用在对齐的纳米棒上的有源区。在图4B所示的夹层结构中，电极22A和22B位于两个隔开的平行平面内而像素阵列12位于这两个电极平面之间的平面中。在这种结构中，电极之间电场E的场线与纳米棒的对齐轴(P1或P2)基本上垂直。这种结构可以简化电极排列设计，但是会要求使用光学透明的电极以便使得由一个电极能够透射泵浦光而至少另一个电极能够透射所发出的光。应当注意，典型情况下不同的电极元件22A和22B应当透射不同波长范围的光，因此可以使用不同的材料。在夹层结构中，电极之一的材料可以用于滤除泵浦光。也应当注意，电极具有适当透射(二者都对发射光谱透明而对泵浦光谱滤除(吸收))的夹层结构可以与侧面泵浦结合，从而实现双侧显示结构。
也正如以上指明，像素阵列的像素可以包括被配置为发出不同波长光的纳米棒从而提供多色显示能力。图5例示了包括两组像素的像素阵列12结构，分别被配置为发出垂直偏振的光，其中每组都包括三个像素的集合，被配置为发出三原色的光。在这个附图中，像素阵列被演示为矩阵，其中矩阵的不同块表示被配置为发出红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)光的不同像素。不同像素内的纳米棒的、对应于所发出光的偏振朝向的对齐轴以不同像素内的箭头标注。因此，如图所示，同一组的像素发出具有相同偏振和不同颜色的光。应当注意，尽管典型的多色显示***采用三原色，但是本发明的发光器件可以包括任何数目或颜色的发光像素。也应当注意，图5中例示的不同颜色和/或不同偏振的像素的排列为非限制性实例，并且包括如棋盘排列的任何排列都可以被使用。
尽管沿着预定轴对齐的各向异性纳米颗粒(纳米棒)发出的光基本上沿着对齐轴线性偏振，但是三维显示***可以获益于以两个正交的圆偏振状态提供图像。正如以上指明，本发明的发光器件无论是否被整合到显示***中都能够附着到或装备有偏振旋转器从而旋转所发出光的偏振。例如，四分之一波片(λ/4波片)可以被置于所发出的光的光路中，并且被安排为把一个线性偏振状态转换为顺时针圆偏振而把另一种线性偏振状态转换为逆时针圆偏振。为了提供这样的效果，λ/4波片可以被置于并安排为其光轴朝向关于所发出光的线性偏振轴(它们基本上平行于对齐角)都在45°角。在多色显示的情况下并且无论此情况可能在何时出现，独立的λ/4波片都可以用于发出不同颜色光的像素的集合。作为替代，可以使用消色宽带阻光膜(achromaticBroad Band Retarder film)。这样的无色宽带阻光膜典型情况下包含以不同角度安排的阻光膜的“堆叠”，并且被配置为对线性到圆转换膜的颜色依赖性折衷(例如在US 7，969，543中的介绍，关于这个具体的非限制性实例在此通过引用结合在这里)。应当注意，λ/4波片和多种其他阻光膜的结构和操作一般为公知的因此不需要本文详细介绍，但是注意，这样的光学元件典型情况下被配置为在穿过它的偏振光分量之间产生特定延迟。在适当地放置和安排时，λ/4波片或其他阻光膜能够用于把线性偏振的光转换为圆偏振，并且反之亦然。
以下是采用具有垂直对齐轴的两组像素并且包含红色发光纳米棒的单色显示设备的制造和操作的实例。由以上介绍的像素阵列形成的结构被如下所述地准备。使用常规的光刻和洁净室技术在2英寸直径和0.5mm厚度的玻璃晶片上以铝电极形成宽度一微米的图案。像素图案由置于网格上并具有100微米间隔的4乘4像素的阵列限定，像素阵列与图1所示阵列基本上相似，不过具有不同数目的像素。每个像素的区域都包含电极指的相互缠绕的“梳”结构(6个指平行地连接到一个触点，7个指平行地与另一个触点相连，方式类似于显示了4个和5个电极指的图4A的电极结构)。每个电极指的宽度为1微米，交替电极之间的间隙为3微米。每个像素的有源区被配置为近似50×50微米。电极的结构提供了包含用于对齐的荧光纳米棒的12个间隙的有源区。
与不同像素相关联的电极连接到位于正方形网格之外几毫米的焊盘。像素阵列被配置为包含两组像素，使得这两组像素的电极排列在电极之间提供了垂直方向的电场。更具体地说，竖直电极的像素在1列和3列中而水平电极的像素在2列和4列中。
(遵循关于这个具体的非限制性实例在此通过参照结合的L.Carbone等人“Synthesis and Micrometer-Scale Assembly ofColloidal CdSe/CdS Nanorods Prepared by a Seeded GrowthApproach”Nano Letters,2007,7(10),pp2942-2950中介绍的过程类似的过程)合成了带有45nm长度和5nm直径的CdS纳米棒内的CdSe纳米点结构的种子纳米棒，用作像素内的有源介质。这些纳米棒响应于UV辐射的光泵浦发出峰值波长635nm的红光。在对整个阵列的电极施加电场时，在甲苯中包含纳米棒的溶液被滴铸到基底上。由电极产生的电场根据与每个像素相关联的电极对之间的电场向量来设置纳米棒。通过以10kHz的频率和120Vpp的电压(峰到峰电压)施加AC电压来施加电场。由于电场由像素电极朝向确定，纳米棒在每个像素中在所要求的方向上对齐。
在溶液蒸发后，像素阵列便为操作准备好了。由UV光源(RoithnerLasertechnik GMbH,Wiedner Hauptstraβe,A-1040Vienna,Austria出品的H2A1-H365-S)以在365nm的发光峰值提供的光泵浦被指引到具有纳米棒的表面，从而使纳米棒发处荧光。通过采用被配置为右眼主要观看从1列和3列发出的光而左眼能够观看由2列和4列发出的光的线性偏振的眼镜，从玻璃基底的、与暴露于光泵浦的表面相反的一个表面的方向观察到红色发光。诸如图案化的偏光镜、光提取和四分之一波长阻光膜的附加膜能够附着到这个玻璃表面，正如以上指明。
使用自制的电驱动***测试了发光的电调制。每个像素都以10kHz的频率和0到340Vpp之间的电压范围经历了方形交变极性波形的不同驱动电压。像素的调制范围从0Vpp驱动电压的0％直到(对多个像素的)340Vpp的91-95％(即，比在0Vpp的发光低91-95％)。通过测量每个像素分别对电压调制的响应，调制电压被标定为提供来自不同像素(两组竖直和水平像素都包括)的相等响应，使得电压范围提供在0-91％之间的调制。像素内对齐的光学有源(发光)纳米棒提供了所发出光的在3.3到3.8之间变化的PR，因此看见了图像之间的一定的交叠。正如以上指明，通过位于所发出的光的光路中的图案化的偏振滤光器，所发出的光的不同偏振之间的这样的交叠被降低，并且可以被消除。
λ/4膜位于所发出的光的光路中，被定位为使得其光轴朝向关于两种偏振光分量的偏振轴都在45°角。λ/4膜的这种结构提供了把线性偏振化的光转换为圆偏振化的光，使得一种偏振朝向的光分量被转换为顺时针圆偏振，而垂直偏振朝向的光分量被转换为逆时针圆偏振。附加的UV阻塞膜被置于面向观众的玻璃表面上，被配置为阻塞泵浦UV辐射。以适当的偏振滤光器眼镜观察所发出的光使得无论观众的头朝向哪里，都是一只眼睛仅仅看见从一组像素发出的光而另一只眼睛仅仅看见从另一组像素发出的光。
为了制造多色显示设备，本发明人除了以上介绍的红色发光纳米棒外还使用了47nm长度和3.5nm直径的附加绿色发光纳米棒。此纳米棒以类似方式准备并且峰值发光在波长458nm。
在2英寸的0.5mm玻璃晶片上以2×2mm的像素尺寸准备了4乘4的像素阵列。每个像素都配备了梳形电极结构，类似于图4A，电极指之间的间隙为10微米而每个指的宽度为5微米。像素阵列单元被以3mm的间隔置于正方形网格上。纳米棒在两种不同的甲苯溶液中准备，并且沉积在对应的像素中以产生适当地选择的多色图案。溶液的沉积使用吸量管对每个像素沉积0.2μl的液滴容积进行。在沉积期间施加每个像素的电极之间10kHz的250Vpp的电势，使纳米棒沿着适当的轴对齐并且在大尺寸的像素上实现均衡的散开。此外所施加的电势有助于防止溶液(和纳米棒)散开到像素区域之外。
在这个实例中像素矩阵被构建为使得第1列和第3列具有竖直对齐方向而第2列和第4列水平地对齐。红色纳米棒沉积在第1列和第2列中而绿色纳米棒沉积在第3列和第4列中以提供所选择的彩色模式。
在像素内对齐的光学有源(发光)纳米棒提供了所发出光在3.9到4.7之间变化的PR，因此看见了图像之间的一定的交叠。
若干附加偏光镜膜层被构建在像素阵列的、位于电极元件的反面的玻璃侧(显示侧)上，被配置为适当地过滤所发出的光以提供更高的PR。这些滤光器层由3mm条纹偏光镜膜(如从MeCan Imaging Inc.获得)形成。正如在先前实例中的介绍，附加的UV阻塞膜置于面向观众的玻璃表面上，被配置为阻塞泵浦UV辐射。
如上所述，此结构被从此结构的电极表面由UV光源光泵浦。在被光泵浦时，每个像素的纳米棒都发出红色或绿色的光。通过选择性地供应具有方波的、以10kHz并具有高达750伏特的Vpp来驱动的电压，来提供所发出光的调制。这种电调制对各个像素产生了高达89％的调制。在通过定向的偏光镜(如偏光镜眼镜)观察此结构时，通过竖直偏光镜看见第1列和第3列更明亮而通过水平偏光镜看见第2列和第4列更明亮。
附加的偏振旋转器置于此结构上，在所发出光的光路中，以提供两种正交的圆偏振状态。所用的偏振旋转器为(MCR140A，从MeCanImaging Inc.获得的高质量λ/4膜)。在这种结构中，使用圆偏振滤光器来独立地看见不同偏振的像素。
应当注意，在以上实例中介绍的增大的像素尺寸能够用于大尺寸的显示***，比如广告牌。不过也应当注意，像素尺寸受限于选定实例中使用的构建技术而不受限于本发明的原理。
因此，本发明提供的发光器件能够产生由两种正交偏振状态的光组成的被理想地图案化的照明，从而提供单色或多色显示器。此器件可以整合到显示***中以及使得能够对于图像和视频显示获得三维效果。典型的显示***可以是用在各种各样电子设备、电视机、广告牌等中的屏幕。本领域的技术人员将不难认识到，多种修改和改变可以应用到前文介绍的本发明的实施例而不脱离附带的权利要求书中以及由权利要求或权利要求的结合所限定的本发明的范围。

Claims (27)

1.一种包括像素阵列和电极排列的发光器件，其中，像素阵列包括第一组像素和第二组像素，第一组像素和第二组像素分别包括分别沿着第一预定轴和第二预定轴对齐的第一多个发光纳米棒和第二多个发光纳米棒，第一预定轴和第二预定轴基本上彼此垂直，并且所述阵列的像素与所述电极排列的多个电极元件相关联，从而通过可控地施加电场，使得能够与所述像素阵列的一个或多个其他像素独立地进行一个或多个像素的发光的调制，所述发光器件因此被配置为并用作有源像素发光器。
2.根据权利要求1的器件，其中，响应于第二预定波长范围的泵浦辐射，所述发光纳米棒发出第一预定波长范围的光。
3.根据权利要求1或2的器件，其中，所述第一组像素和所述第二组像素的对齐的发光纳米棒分别发出两种基本上正交偏振的光。
4.根据权利要求1至3中一个或多个的器件，其中，所述发光纳米棒发出偏振比高于1.5的光，其中偏振比被定义为以平行于和垂直于纳米棒对齐的方向偏振的发出的光分量之间的强度比。
5.根据权利要求1至4的器件，其中，所述电极元件被配置为并用于向所述一个或多个像素施加电场，从而使来自所述一个或多个像素的光发射熄灭。
6.根据权利要求1至5中一个或多个的器件，其中，所述电极元件被配置为分别对于多个像素限定电极元件的多个专用对，从而使得能够对各个像素进行独立的电场调制。
7.根据权利要求2至6中一个或多个的器件，其中，所述第一波长范围包括可见光谱。
8.根据权利要求1至7中一个或多个的器件，其中，所述发光纳米棒包括被配置为发出至少三个不同波长的光的纳米棒，发出不同波长的光的纳米棒与所述像素阵列的不同像素相关联。
9.根据权利要求1至8中一个或多个的器件，包括承载所述发光纳米棒的支撑结构，该支撑结构被配置为使所述像素阵列能够被暴露到泵浦辐射。
10.根据权利要求1至9中一个或多个的器件，包括被配置为并用于向所述发光纳米棒提供光泵浦辐射的光源。
11.根据权利要求1至10中一个或多个的器件，包括位于所发出的光的光路中的图案化的偏振滤光器，该图案化的偏振滤光器被配置为改进从所述两组像素发出的光的偏振比。
12.根据权利要求1至11中一个或多个的器件，包括位于从所述发光纳米棒发出的光的光路中的偏振旋转器，该偏振旋转器被配置为改变所发出的光的偏振从而产生圆偏振光。
13.根据权利要求3至12中一个或多个的器件，包括位于从所述发光纳米棒发出的光的光路中的偏振旋转器，该偏振旋转器被配置为改变所发出的光的所述正交偏振以分别产生两种相反圆偏振的光。
14.根据权利要求1至13中一个或多个的器件，其中，所述电极排列和所述像素阵列被安排在共同的平面中。
15.根据权利要求1至14的器件，其中，与第一组像素和第二组像素的像素相关联的电极元件被配置为分别沿着分别基本上平行于所述像素的纳米棒的第一对齐轴和第二对齐轴的两个轴施加电场。
16.根据权利要求1至13中一个或多个的器件，其中，所述电极排列包括分别位于第一平面和第二平面内的第一组电极元件和第二组电极元件，并且所述像素阵列位于所述第一平面与所述第二平面之间的平面中。
17.根据权利要求1至16中一个或多个的器件，其中，纳米棒被嵌入在对泵浦光和所发出的光光学透明的载体中。
18.根据权利要求1至17中一个或多个的器件，其中，纳米棒被沉积在对泵浦光和所发出的光中的至少一者光学透明的基底载体上。
19.根据权利要求1至18中一个或多个的器件，其中，纳米棒由一种或多种半导体材料制成。
20.根据权利要求1至19中一个或多个的器件，其中，纳米棒具有纵横比至少为2的纵长的几何形态。
21.根据权利要求1至20中一个或多个的器件，其中，纳米棒具有核-壳结构。
22.根据权利要求1至21中一个或多个的器件，其中，纳米棒被配置为种子棒。
23.根据权利要求22的器件，其中，种子纳米棒中的种子具有球形或棒形几何形态。
24.根据权利要求1至23中一个或多个的器件，被配置为并用于发出分别由第一多个发光纳米棒和第二多个发光纳米棒发出的光形成的不同的第一光学性质和第二光学性质的图案化的光，从而使得能够进行第一不同图像和第二不同图像的同时成像。
25.一种有源像素显示设备，包括泵浦光源；根据权利要求1至24中任何一个的发光器件，被安排为使得纳米棒被暴露到泵浦光；以及控制单元，被配置为操作电极排列以控制向所述像素阵列中选定的一个或多个像素施加电场。
26.根据权利要求25的显示设备，其中，控制单元用于使得向第一组的像素和第二组的像素中的一个或多个选择性地施加电场，从而使得能够进行两个独立图像的同时显示。
27.根据权利要求25或26的显示设备，被配置为对图像流的显示实现三维效果。
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