JP2013508948A - 光源 - Google Patents

Abstract

光源は、モノリシック発光性半導体素子とレンズレットのアレイとを備え、レンズレットはモノリシック発光性半導体素子に光学的及び機械的に結合され、モノリシック発光性半導体素子は局所的発光領域を含み、それぞれの領域は与えられたレンズレットに対応し、レンズレットは見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）、見掛け焦点（ｆ_ａ）、曲率半径（Ｒ）及びレンズレット基底直径（Ｄ）を有し、この基底直径はモノリシック発光性半導体素子との交点でのレンズレットの幅であり、レンズレットの光軸に沿ったＣ_ａとｆ_ａとの間の距離は、Ｃ_ａが距離０に位置付けられｆ_ａが１の点に位置付けられるように正規化され、それぞれの局所的発光領域は０より大きく式（Ｉ）より小さい点に位置付けられ、それぞれの発光領域は直径を有し、発光領域の直径の寸法は対応するレンズレット基底直径の３分の１以下である。
【選択図】図２

Description

本記述は、光源に関し、特定すると、改善された効率を有する光源及びそのような光源の製造方法に関する。

一態様において、本願は光源を提供する。この光源はモノリシック発光性半導体素子及びレンズレットアレイの両方を含み、レンズレットは機械的及び光学的にモノリシック素子と結合される。モノリシック素子は、それぞれが所与の特定のレンズレットに対応する局所的発光領域のアレイを含む。それぞれのレンズレットは、見掛け曲率中心、見掛け焦点、曲率半径（Ｒ）、及び基底直径（Ｄ）を有する。局所的発光領域は、見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）と見掛け焦点（ｆ_ａ）との間の光軸に沿った位置に位置付けられる。２つの場所の間の距離をゼロ（Ｃ_ａ）から１（ｆ_ａ）に正規化すると、発光領域は、ゼロより大きく関数−３．６×（Ｒ／Ｄ）＋２．７５より小さい位置の正規化部分にかけて光学軸上に位置付けられる。それぞれの発光領域は、対応するレンズレットの基底直径の３分の１以下の寸法の直径を有する。

別の態様で、本願は半導体光源を提供する。光源は局所的発光領域のモノリシックアレイ及びレンズレットのアレイを含む。アレイのそれぞれのレンズレットは発光領域と１対１の関係にあり、光学的に発光領域と結合される。更に、それぞれのレンズレットは曲率半径（Ｒ）、基底直径（Ｄ）、見掛け焦点（ｆ_ａ）、及び見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）を有する。発光領域は、Ｒ／Ｄが（Ｃ_ａからｆ_ａの光学軸上の負の正規化距離の４分の１）＋０．８未満であるようにモノリシックアレイに位置付けられる。それぞれの発光領域は、それが光学的に結合されるレンズレット基底直径の３分の１以下の寸法の直径を有する。

別の態様で、本願は光源を提供する。この光源は、モノリシック発光性半導体素子及びレンズレットアレイを含む。レンズレットはモノリシック素子と光学的及び機械的に結合され、１．８〜３．５の屈折率を有する。モノリシック素子は、それぞれが所与のレンズレットに対応する局所的発光領域のアレイを含む。レンズレットはそれぞれ見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）、見掛け焦点（ｆ_ａ）、曲率半径（Ｒ）、及び基底直径（Ｄ）を有し、Ｒ／Ｄは０．５〜０．７５の間である発光領域はそれらの対応するレンズレットのＣ_ａとｆ_ａの間に置かれる。また、それぞれの発光領域は、それに対応するレンズレットの基底直径の３分の１以下のサイズの直径を有する。

第５の態様で、本願は、発せられる光の視準及び効率を最適化するために、光学的に結合されたレンズレットからの局所的発光領域の配置を決定する方法を提供する。この方法は、レンズレットの見掛け焦点（ｆ_ａ）とレンズレットの見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）との間に発光領域を配置する工程を含む。Ｃ_ａからｆ_ａに向かう特定の配置距離は、合計距離の百分率であり、この百分率はゼロより大きくゼロ未満であり（−３．６×（Ｒ／Ｄ）＋２．７５）、Ｄは光学的に結合された発光領域の直径の少なくとも３倍である。

第６の態様で、本願は、発せられる光の視準及び効率を最適化するために、光学的に結合されたレンズレットからの局所的発光領域の配置を決定する方法である。この方法は、レンズレットの見掛け焦点とレンズレットの見掛け曲率中心との間に発光領域を配置する工程を含む。見掛け曲率中心から見掛け焦点に向かって配置される距離の百分率は、発光領域とレンズレット材料の屈折率の差によって決定される。

別の態様で、本願は、光源を生成する方法に関する。この方法は、第１に、局所的発光領域のアレイを伴うモノリシック発光性半導体素子を提供する工程を含む。第２の工程は、それぞれのレンズレットが所与の発光領域に対応する、レンズレットのアレイをモノリシック素子の光出力表面上に形成する工程である。レンズレットは、曲率半径をレンズレット基底直径で割った値が０．７５未満であるように、かつレンズレットの見掛け焦点距離及びレンズレットの見掛け曲率中心が発光領域を囲むように、形成される。発光領域は見掛け曲率中心と見掛け焦点との間に位置付けられる。更に、それぞれの発光領域は、対応するレンズレット基底直径の３分の１以下の寸法の直径を有する。

最後の態様で、本願は光源を提供する。この光源は、第１の屈折率を有するモノリシック発光性半導体素子及び第２の屈折率を有するレンズレットのアレイを含む。レンズレットはモノリシック素子と光学的及び機械的に結合される。第１の屈折率に対する第２の屈折率の比は０．６〜１．５の間である。モノリシック素子は、それぞれが所与のレンズレットに対応する、局所的発光領域のアレイを有する。レンズレットはそれぞれ見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）、見掛け焦点（ｆ_ａ）、曲率半径（Ｒ）、及び基底直径（Ｄ）を有し、Ｒ／Ｄは０．５〜０．７５の間であるまた、発光領域はそれらの対応するレンズレットのＣ_ａとｆ_ａとの間に置かれる。最後に、それぞれの発光領域は、対応するレンズレットの基底直径の３分の１以下の寸法の直径を有する。

本明細書全体にわたって、類似の参照数字が類似の要素を指す添付図面が参照される。
局所的発光領域のアレイ及びレンズレットアレイを伴う光源の断面図。 レンズレットアレイを伴う光源の単一のレンズレット部分、及び局所的発光領域のアレイを伴う対応する単一の光源の発光領域の断面図。 複数の発光領域を伴う光源のレンズレットのアレイをシミュレーションするための単一のレンズレットの使用のモデル検証。 様々な円錐角内で収集された光源の光出力効率のグラフ。 ３０°の収集円錐角の発光領域の様々な領域のグラフ。 光源における屈折率が光出力効率に与える影響を示すグラフ。 レンズレットアレイを伴う光源の単一のレンズレット部分、及び局所的発光領域のアレイを伴う対応する単一の光源の発光領域の断面図。 見掛け焦点と見掛け曲率中心との間の発光領域対（レンズレットの曲率半径／レンズレットの基底直径）の値の、相対位置の図。 ピクセル忠実度との関係による光源の光出力効率のグラフ。

画素化発光素子（ＰＬＤ）、特に画素化電気発光素子は、例えば、ディスプレイにおいて、また光源として、またプロジェクターの照明用として、またセンサー（例、生物学的センサー）において、またデジタルサイン用としてなど、多くの用途において有用となる場合がある。ディスプレイ用途としては、例えば、ライドバルブ撮像装置（例、透過型ＬＣＤ撮像装置）のバックライト、並びに、直接投射式撮像装置（例、ピコプロジェクター、携帯型プロジェクター、背面投射型テレビ、及びアイコン／ポインターの投射）としての機能が挙げられる。プロジェクターの照明用途では、本願に述べられるような画素化発光素子によって短い混合距離が与えられる。光源用途としては、例えば、固体照明（例、建築用照明）が挙げられる。背面投射型テレビもまた、照明のために単一又は複数のパネル（例えばｘ立方体）を利用することができる。

狭い集束角を生成する光源を必要とするライティング用途は増えている。これらの用途としては、例えば、投射システム、街灯、及び自動車のヘッドライトが挙げられる。残念なことに、これらの用途に使用される典型的な発光材料は概して非常に広いランバーティアン発光パターンを有する。そのようなランバーティアン光源から狭い集束角において光を効率的に収集するためには、非常に高速の光学素子が必要とされる（すなわち、光の少なくとも７５％を収集するには、６０°以上の収集半角の光学素子が必要となる）。必要とされる高速光学素子は、大型集光レンズ、複合パラボラ集光装置、又はテーパーロッドのような概して大型の外部光学素子である。そのような光学素子の使用は照明システムをかさばるものにし、ピコプロジェクター用光照射器においてのような、小型化への適応をなくす。

しかし、狭い集束角の利益を受けるますます多くの用途でも、光源及びそれに使われる光学素子が、より小さいエリアで使用できるように小型化可能であることが要求されている。

加えて、発光ダイオードが発光性撮像装置に（すなわち直接投射用の像源として）使用されるときは、１つのピクセルから発された光を視認者に向けて方向付け、近隣のピクセルからの光を干渉しないようにする必要がある。換言すると、その光源はクロストークを最低限にする必要がある。クロストークを最低限にするように、ピクセル表面で発された光の視準を合わせる必要がある。照明源に直接に組み込まれたレンズレットは、例えば投射システムのような外部レンズトレインと結合されている光の効率を向上し、ピクセル間の最低限のクロストークをもたらすことができる。

したがって、少ないピクセル間クロストークで大きい高品質の像を生成するように投射可能な、小型で効率的かつ製造可能な光源を有することが望まれる。

本願は、ＬＥＤの表面のレンズレットがＬＥＤ内の局所的発光領域と適正に一致して、外部光学素子の許容可能な角度内への光の抽出及び視準を改善する、光源を目的とする。この解決策は、投射エンジン、目的とする照明用途及び面積が制限された照明エンジンのための、実際的価値を有する。加えて、本願は、素子に結合されたレンズレットを有するＬＥＤを目的とする。この構造体は、外部視準光学素子を有する同様のＬＥＤよりはるかに小さく、小型光学系に埋め込むのにより好適である。更に、本願の概念は、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）又はマイクロミラーアレイ（例えばＤＬＰ（登録商標））反射性マイクロディスプレイ撮像装置の代替として使用される発光性画素化撮像装置に適用可能である。同様に、用語「画素化発光素子」（ＰＬＤ）は本開示の「光源」であり得る。

発光性撮像装置は個々のピクセルのアレイで構成される。カラー撮像装置では、これらのピクセルのそれぞれは複数のサブピクセルからなる場合があり、ディスプレイに使用される原色のそれぞれに１つのサブピクセルとして、知覚される色の像を創出する。最も一般的には、使用される原色は赤色、緑色、青色であり、全てのピクセルは、知覚される広範な色の創出を可能にするために独立にアドレス可能な赤色、緑色、青色のサブピクセルを有する。この用途において、用語ピクセルは、ディスプレイの最少のアドレス可能な要素を指す。モノクロームディスプレイの場合、ピクセルはおそらくは表示される像の単一のピクセルに対応することになる。カラーディスプレイの場合、ピクセルは、表示される像のピクセルを表示するために使用される原色サブピクセル要素の１つに対応することになる。

本願は、少ないピクセル間クロストークで大きい高品質の像を生成するために投射可能な、小型で効率的かつ製造可能な光源の必要性のための解決策を提示する。レンズレットアレイのそれぞれのレンズレットは、ディスプレイのピクセルに対応するものと理解され得る。光学的クロストークは、元のソースピクセルの上で検出されるのではなく近隣のピクセルの上に検出される、ソースからの光束として定義される。換言すると、像の色の質及び鮮鋭度を低減し得る、１つのピクセルから近隣のピクセルへの光の拡散である。カラーディスプレイでは、クロストークは、指定されているピクセルと異なる原色の表示に使用される近隣のピクセル（サブピクセル）からの発光を引き起こして色域を低減し得る。撮像装置は、発光領域からの光の少なくとも６０％が３０°の半角内に含有されているとき、効率的であるとみなされ得る。半角は、円錐角の半分として定義される。半角は、図２では２２４として示されている。

いくつかの実施形態で、本明細書に記載の素子は、上述の問題に対処することが可能であり、いくつかの利益を提供し得る。第１の利益は、狭い円錐角への光出力を増すことによって素子の効率を増すことであり得る。第２の利益は、発された光の視準を合わせることによって軸方向の輝度を増すことであり得る。第３の利益は、クロストークの低減によって画質を改善することであり得る。最後に、第４の利益は、素子からの光を効率的に投射するために必要とされる２次的光学素子のサイズを低減し、それによって構造の全体的サイズを低減することであり得る。更に、光出力効率の増加及び視準によって、所望の光出力を得るために必要な電力を低減する可能性がある。

図１の参照によって、本明細書に記載の実施形態をより明確に理解することができる。図１は、提示されている光源１００の一実施形態の構造の基本的概略図を示す。光源は２つの要素で構成されており、第１はモノリシック発光性半導体素子１０２であり、第２はレンズレット１０４のアレイである。

モノリシック発光性半導体素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、超発光性ダイオード、又は光輝性量子井戸材料アレイ（例えばＩＩ〜ＶＩ族半導体）であり得る。ＬＥＤのより完全な説明は、例えば、Ｅ．Ｆ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ，２００６及びＳ．Ｍ．Ｓｚｅ，Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９８１に見出すことができる。

レンズレット１０４のアレイは光学的に、かつ本件では機械的に、モノリシック発光性半導体素子１０２と結合される。機械的及び光学的な結合はレンズレット基底１０８で生じる。機械的な結合は、レンズレットをモノリシック発光性半導体素子１０２と同じ材料にエッチングすることによって、又はレンズレット１０４をレンズレット基底１０８で素子１０２に接着することによって達成し得る。これらの方法については以下に詳細に述べる。また、モノリシック発光性半導体素子１０２は、局所的発光領域１０６のアレイも含む。局所的発光領域１０６を略して単に「発光領域」と呼ぶ場合もある。光は概して全方向に発光領域１０６から発せられ、発せられた光の一部分はレンズレット１０４に向かって方向付けられ、透過される。光源の素子は、単一の発光領域に光結合された単一のレンズレットの更なる拡大図を見ることによってより良く理解され得る。そのような表示は図２に示されている。図はアレイの一部分のみを示しているが、アレイの全ての素子の代表であり、したがって、素子を複数形で言及してもよいものと理解されたい。

図２の光源２００を参照すると、レンズレットアレイは個々のレンズレット２０４で構成されている。レンズレットはモノリシック発光性半導体素子２０２と光学的に結合される。レンズレット２０４は屈折率ｎ２を有する。モノリシック発光性半導体素子は屈折率ｎ３を有する。これらの両方の屈折率をレンズレット発光面２２２の外側の材料、例えば空気であり得る材料の屈折率と比較することができる。この外側の屈折率はｎ１である。モノリシック発光性半導体素子２０２内には局所的発光領域２０６が埋め込まれている。

いくつかの実施形態では、ｎ２がｎ３と等しくなるようにレンズレットアレイを発光領域アレイとモノリシック的に一体化すること、例えば、レンズレットアレイを発光領域アレイと同じ発光材料から直接に形成することができる。あるいは、レンズレットアレイを発光領域アレイ材料と同等以上の屈折率を有する２次的材料から作製し、発光領域アレイと光学的に結合することができる（すなわちｎ２≧ｎ３）。他の実施形態では、発光領域アレイの屈折率ｎ３がレンズレットアレイの屈折率ｎ２以上であることが望ましい場合がある。ｎ２がｎ３と等しくないとき、レンズレットの基底で境界を横切る光線は屈折率の変化によって曲がる。レンズレットと発光領域との間の境界での光の屈折は、発光領域からこの境界を横断する光線がその光線の実際の出所とは異なる場所から出ているように見えるようにする効果を創出する。この理由から、レンズの４つの重要な点すなわち、１）「幾何学的曲率中心」、２）「見掛け曲率中心」、３）「幾何学的焦点」、及び４）「見掛け焦点」を定めることは有用である。曲率中心点に関しては、レンズレットが球面であれ非球面であれ、提供される点はレンズレットの表面の最も適合する球面近似に対応する点として定めることができることに注意されたい。焦点は、光線追跡によって計算されるレンズレットの形状によって定められ得る。「幾何学的曲率中心」２１０は、レンズ球面に対して垂直の光線が交差することになる点であり、「見掛け曲率中心」８３０（図７）は、レンズレットと発光領域の境界での屈折を考慮に入れた後の、レンズ球面に垂直の光線が交差することになる点である。レンズレットと発光領域が同じ屈折率を有するとき（ｎ２＝ｎ３）、幾何学的曲率中心２１０と見掛け曲率中心８３０は完全に一致する。レンズレットと発光領域が異なる屈折率を有するとき（ｎ２≠ｎ３）、幾何学的曲率中心２１０と見掛け曲率中心８３０は異なる位置に置かれる。同様に、「幾何学的焦点」２１２は、光軸（近軸）に近くレンズレットの平面に垂直の視準光線がレンズ面を横断した後に交差することになる点であり、一方、「見掛け焦点」８３２（図７）は、レンズ面及びレンズレットと発光領域の境界での屈折を考慮に入れた後の、光軸に近くレンズレットの平面に垂直に、光線が交差することになる点である。レンズレットと発光領域が同じ屈折率を有するとき（ｎ２＝ｎ３）、幾何学的焦点２１２と見掛け焦点８３２は完全に一致する。レンズレットと発光領域が異なる屈折率を有するとき（ｎ２≠ｎ３）、幾何学的焦点２１２と見掛け焦点８３２は異なる位置に置かれる。いくつかの実施形態では、発光領域の場所は見掛け曲率中心８３０と見掛け焦点８３２との間（それらを接合する線分に沿った）である。

また、レンズレットの屈折率ｎ２とモノリシック発光性半導体素子の屈折率ｎ３の関係をそれら２つの屈折率の比の観点から理解することも望ましい場合がある。例えば、モノリシック半導体素子の屈折率を第１の屈折率と定め、レンズレットの屈折率を第２の屈折率と定めた場合、第１の屈折率に対する第２の屈折率の比の望ましい値がある場合がある。この最適値は、外側屈折率ｎ１が（例えばレンズレットアレイ外側の材料が空気のときのように）約１のとき、概して０．６〜１．５の比の範囲にある。

ＬＥＤでは、レンズレット２０４は、例えばサファイア、シリコンカーバイド、シリコン、又はインジウムリン化物などの成長基板において、又はダイヤモンド、ハイインデックスガラス、シリカのような発光材料と結合された２次的材料において、又はすでに記載したものも含む任意の他の好適な材料において、ｎ又はｐタイプの半導体２０２材料で形成することができる。成長基板は、その上でｎ及び／又はｐ型半導体材料が「成長」する（及び、レンズレットが先に半導体材料から取り外されていない場合にレンズレットを成長基板内に形成することができる）基板として理解され得る。また、レンズレットは、ある範囲の屈折率又は異なる屈折率を有する層状若しくは段階的材料から作製されてもよい（すなわち、ｎ２はレンズレット全体に一定ではない）。他のレンズレット材料は、導電性であるなど、素子に機能をもたらすことができるものを含む。導電性材料の例は、ＬＥＤのための電極として動作する、インジウム酸化第一スズ（ＩＴＯ）又は、導電性硬化ペーストのような他の透明な導体であり得る。材料の別の潜在的機能は、発光領域の光と異なる光波長を生成するために色変換層として機能することであり得る。他の実施形態では、色変換層を別個のレンズレット層と共に使用することができる。

レンズレットアレイの少なくとも１つのレンズレット２０４は球形の部分であり得、球面の一部分に近似の表面を有することができる。また、レンズレットは半球形、円筒形（レンズ状）、又は非球形に近似であってもよい。しかし、本明細書に記載のレンズレットはフレネルレンズを含むものと理解されるべきではない。所望のように光を方向付けるために、レンズレットの特定の形を使用することができる。例えば、円筒形レンズレットを使用して一方向に視準を合わせた光を与え、別の方向にランバーティアン光出力をもたらすことができる。非球面レンズレットを使用して、全方向に発された光の角度分布を更に制御することができる。球面レンズは、レンズの軸からより遠くの光に対してより顕著になる特定の収差を有することで知られている。非球面レンズレットは球面レンズとほぼ同じように作用するが、より少ない収差で設計することができる。したがって、当業者は、「非球面レンズレット」レンズの現在の定義が設計上の非球面であると理解してもよい。球面であるが必ずしも完全に対称でなくてもよいように設計されるレンズもなお、本発明の目的上は「球面レンズ」として理解され得る。

いくつかの実施形態で、レンズレット２１４の曲率半径はレンズレット基底直径２１６の半分以上であり得る（基底の幅はその「基底」２０８又はレンズとモノリシック発光性半導体素子の接触面の区域でのレンズレットの幅と同等）。他の実施形態では、それはレンズレット基底直径２１６の半分以上でありレンズレット基底直径２１６の５分の４以下であってもよい。１次元又は２次元のレンズレットアレイ全体のレンズレットの密度及び分布は均一であってもよく、あるいはアレイ全体で変化してもよい。基底直径２１６（又は基底幅）は、非円形のレンズレットの寸法であり得る。そのような場合、レンズレットの「基底直径」は、レンズレット基底２０８の平面内のレンズレットの境界内に描かれ得る最大の円の直径として定義される。

発光材料又はその成長基板における１つ以上のレンズレットの１つの製作方法は、フォトレジストリフローである。この方法では、陽のフォトレジストを表面に適用し（例えばスピンコーティングによって）、マスクを使用してパターン化及び露出し、現像し、加熱する。次いで行われる加熱は、フォトレジストが流れて丸い形を形成することを可能にする。次いで、パターン化された構造をエッチングして光学素子（レンズレット）を表面に生成する。

光学素子のパターン化の別の方法は、グレースケールリソグラフィである。このプロセスにおいて、フォトレジストは、例えばスピンコーティングのような任意の適切なコーティング法によって表面に適用される。次いで、グレースケールマスク（複数のレベルの光学濃度で作られたフォトリソグラフィマスク）を介して、又はレーザー若しくは電子ビーム直接書込みのような、マスクを使わない様々な手法によって、３次元のパターンをフォトレジスト層に生成する。露出されたフォトレジストを好適な現像剤で現像して、３次元のレジスト構造を露呈する。この３次元構造を、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のようなエッチングプロセスによって下層の材料に転写する。

発光材料又は成長基板に１つ以上のレンズレットを製作するための他の方法としては、ナノインプリントリソグラフィ、（レジストの）インクジェット印刷及びインターフェイスリソグラフィが挙げられる。これらの方法のそれぞれにおいても、次いで、若しくは最終工程として、エッチング工程が行われる。また、レンズレットを２次材料に形成し、光学的及び／又は機械的にモノリシック発光性半導体素子と結合してもよい。例えば、２次材料からレンズレットを成形し、次いで、接着剤又はウェハ結合法によって付着又は結合することができる。可能な結合又は接着方法としては、所与の用途において望ましい場合があるホットメルト接着、溶接、圧力、加熱、又はそのような方法の任意の組み合わせが挙げられる。代表的なホットメルト接着剤としては、半結晶ポリオレフィン、熱可塑性ポリエステル、及びアクリル樹脂が挙げられる。代表的な結合材料としては、光学的に透明な高分子材料、透明ワックス、液体、水、又は、ケイ酸ナトリウム系の可溶性ガラス及びスピンオンガラスが挙げられる。

光源２００の高い光出力効率を達成するために、素子は個々にアドレス可能な局所的発光領域２０６のアレイに区分される。発光領域は、レンズレットの光軸に垂直な平面における局所的発光領域の半値全幅（ＦＷＨＭ）を用いて画定される直径２２０を有することができる。あるいは、発光領域の直径２２０は発光体内部の発光領域のＦＷＨＭであってもよく、これはＬＥＤのｐ−ｎ接合での電流密度分布となる。発光領域の直径２２０（又は発光領域の幅）は、非円形の発光領域の寸法であってもよい。そのような場合、発光領域の「直径」は、レンズレットの光軸に対して垂直な平面に、発光領域のＦＷＨＭの境界内に描かれ得る最大の円の直径として定義され得る。

それぞれの局所的発光領域２０６は、電界発光性又は光輝性材料内に位置付けられ得る。電界発光性材料としては、有機ＬＥＤ材料、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体、及びＩＩＩ−窒化物半導体が挙げられる。局所的発光領域は局所的発光領域のない同様の素子より高い電流密度で動作する可能性が高いので、高い電流密度での効率損失を減らすように設計された接合（Ｇａｒｄｎｅｒ Ｎ．Ｆ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９１，２４３５０６に記載されているような）を本明細書に記載の素子に使用すると有利な場合がある。光輝性材料はモノクロームでもマルチカラーでもよく、ＩＩ〜ＶＩ族半導体、リン光体、又は量子ドットのような色変換材料も含まれる。これらの材料を具体的に挙げたが、選択される特定の材料はこれらの具体的に列挙されたものに限定されず、むしろ、所与の用途に対する材料の適性を参考して材料の選択を行うべきであることを理解されたい。連続した発光領域は、例えば単一量子井戸、多重量子井戸、ホモ接合、ヘテロ接合、ダブルヘテロ接合などの任意の好適な構造を使用して発光領域を生成してもよい。

光は、例えばエッチングによって、又は例えばドーピングによって、発光領域の周囲の発光材料を破壊することにより発光材料を物理的に取り除くことによって電界発光性材料内で局所化することができる。あるいは、素子を電気的に画素化することによって光を局所化してもよく、これは、電流を活性領域の特定の区域に流すように設計された電極を伴う連続エミッタ領域を含む。電気的に画素化した発光素子の詳細な説明は、共同所有の米国特許仮出願第６１／１１４，２３７号に見出される。活性領域がくぼみ効果を含むように設計すること（例えば、活性領域からｐ接点金属までの距離を最適化し、ｐ接点金属層にとって最適の厚さを設定することによって）は、前方に向けられる光を更に増すことができる。

それぞれのレンズレット２０４は１つ以上の対応する局所的発光領域２０６を有することができる。したがって、それぞれの発光領域は所与のレンズレット内へと光を発し、特定の実施形態では１対１の関係で対応する場合がある。本質的に全てのレンズレットは、発光領域２２０の直径の少なくとも３倍の基底直径２１６を有し（又は換言すると、発光領域直径２２０はレンズレット基底直径２１６の３分の１以下である）、発光領域に対してレンズレットはそれぞれ整列され、光学的に結合される。局所的発光領域２０６のそれぞれは、それぞれ対応するレンズレットの光軸２２８に中心を置くことができ、それぞれ対応するレンズレットの曲率中心２１０と焦点２１２の間に位置付けられる。曲率中心は、レンズレットの「曲率半径」の距離２１４のレンズレットの光軸上の点として定義され得る。曲率中心及び焦点は、場合によっては屈折率の差を与えられて異なる位置に現れるので、見掛け曲率中心及び見掛け焦点を定義することができる（各々対応する図７の要素８３０及び８３２を参照）。それら２つの点の間には、クロストークの低減と視準並びに効率の増加との関数が最適化される最適の位置がある。その位置は、以下に説明する関数により決定される。出力光を軸外の角度に向けて合わせるために、局所的発光領域をそのそれぞれ対応するレンズレットの光軸の軸外に置くことができる。図２で、発光領域２０６が光軸の上に置かれると、発された光は光軸に対して概して下向きの角度に方向付けられ、発光領域２０６が光軸の下に置かれると、発された光は光軸に対して概して上向きの角度に方向付けられる。発光領域が軸外のとき、レンズレットの見掛け曲率中心８３０及び見掛け焦点距離８３２に対する発光領域の位置を決定するための発光領域の位置は、光軸上への発光領域の投射として画定される。

光源２００は、光出力面又はレンズレットアレイの反対側に位置付けられた反射性背面２２６もまた含む。この反射板の反射率は７０％以上であり得る。反射された像がクロストークの増加をもたらさないように、反射性背面から発光領域までの距離はレンズレット基底直径の３０％未満であることが好ましい。誘電体多層膜ミラーを使用するか、又は電極接点の周囲に薄い絶縁体を成膜した後、反射性金属を絶縁体上にコーティングすることによるかによって、背面を反射性にすることもできる（個別にアドレス可能な電極を短絡させないように留意することはもちろんである）。

発光領域アレイは、ピクセルに電力を供給するための電気接触を含むことができる。それぞれのピクセルを個々に指定するために電気接触は単一接点の形状であってもよい。個々にアドレス可能な電気接触は電極として説明され得る。画素化された表面電極は、これらに限定されるものではないが、金、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、タングステン、インジウム、並びにこれらの混合物及び合金などの金属又は金属の合金などの当該技術分野では周知の任意の適当な材料で形成することができる。電極はＩＴＯなどの透明な導電性酸化物で形成することもできる。単一接触は、発光表面から又は素子の底部からのチャネルを介して、取り付けることができる。典型的には、電極は例えばｅビーム蒸発によってモノリシック発光性半導体素子の表面上に蒸着される。蒸着後に焼きなまし工程を使用して、電極と半導体表面との間の接触抵抗を低減することができる。

電気接触は、共有電極として機能するグリッドの形状であってもよい。画素化表面と反対側の表面は、金、銀、アルミニウム、インジウム、上記の任意のものの合金及び／又は透明な金属合金、又は光源の表面を覆った透明な導電性酸化物（例、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ））などの任意の適当な金属を含み得る電極を備えてもよい。電気接触式グリッドはレンズレットの間に（すなわち、ピクセル間の領域に）配置することができる。したがって、画素化された発光領域は、電極設計による局所的な電流注入によって形成されると理解され得る。

電極は通常、外部の制御部によって駆動される。画素化表面電極が回路基板によって指定される場合、１つの選択肢としてＣＭＯＳ基板がある。ＣＭＯＳ基板は集積回路からなる基板であり、ＰＬＤの実装面及び電気的駆動部を与える２重の機能を与え得るものである。電極の機能は、活性な局所的発光領域を通して位置調節可能な方法で電流を供給することである。個別にアドレス可能な電極のそれぞれは、作動時に電流が流れる対応したスイッチ回路を有するものとみなすことができる。したがって、発光面及び非発光面の電極の形状及び配置、並びに電極に印加される電圧は、これらの特性によって放射光の空間的な出力プロファイルが決定されるために特に重要である。

あるいは、画素化された発光領域は空間選択的なイオン注入によって形成されると理解することもできる。

光源は、より大きい像を生成するために投射レンズのような２次的光学素子を含んでもよい。レンズレットのアレイは、投射光学素子の入力開口の近くに配置され得る。投射光学素子は０．５を超えるｆ／＃（又は０．７０７未満の開口数）を有することができる。投射光学素子の入力直径（すなわち発光領域の最も近くのレンズ素子の有効口径の直径）は、モノリシック発光性半導体素子のピクセルアレイの対角線次元の２倍未満であり得る。モノリシック発光性半導体素子が光源として使用されるとき、モノリシック発光性半導体素子撮像装置に要求される集束角又は円錐角は、用途（直接投射用途の投射レンズシステムを含み得る）で使用される２次光学素子、又はビームスプリッター立方体、カラーコンバイナー立方体、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）パネル、若しくはデジタルマイクロミラー素子（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏ．のＤＬＰ（登録商標）など）のような追加的光学素子によって定められる。

用途特定の可変のパラメータとしては、発光材料（ｎ３）、レンズレット材料（ｎ２）及び含浸材料（ｎ１）の屈折率、レンズレットの幾何学的曲率半径、幾何学的焦点（ｎ２、ｎ３、及び曲率半径が与えられれば焦点を計算することができる）及び高さ、発光領域直径２２０とレンズレット直径２１６との比、収集円錐角（又は半角２２４）、レンズレット２０４と発光領域２０６との間の距離、並びに背面反射体２２６と発光領域２０６との間の距離が挙げられる。これらのパラメータの多くのバリエーションと共に広範にモデル化することによって、光軸に沿ったレンズレット２０４の頂点からの発光領域２０６の最適な配置を示す関係が発見された。この最適化された位置は、光軸沿いに見掛け曲率中心と見掛け焦点との間の点に位置付けられるものであり、レンズレットの曲率半径２２４及びレンズレット基底直径２１６によって決定され得る。以下の実施例によってそれを決定した。

レンズレットと結合されたハイインデックス材料の光学的モデル化

モデル化の方法

レンズレットと結合されたハイインデックス材料の光学的モデルは、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓの光線トレースシミュレーションソフトウェアであるＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓのバージョン６．０で構築した。（図２に図示したような）発光材料上の単一レンズレットをモデル化した。発光材料は１０×１０μｍで、局所的発光領域からレンズレット基底までの可変の距離を有する。発光領域から発光材料の底部までの距離は０．１μｍに固定した。局所的発光領域は０．１μｍの固定の厚さを有する立方形であり、１×１μｍから１０×１０μｍまで可変であり、レンズレットの主軸（すなわち光軸）に配置された。発光領域の放射力は、球面全体にかけての測定で１．０ワットであった。発光領域の表面は光学的に滑らかな表面であり、その上面及び底面のみが、外向きにトレースされる均一の角度及び空間分布で発光する。レンズレット直径は１０μｍに固定され、一方、レンズレットの曲率半径は５〜７．２５μｍの間で可変とし、レンズレットの高さは２〜５μｍの間で可変とした。エミッタの屈折率ｎ３は２．３９に固定され、光学濃度は０．１５５であって、一方、レンズレットの屈折率ｎ２は１．６〜３．５まで可変であり、光学密度は０．１５５とした。周囲の屈折率は空気の屈折率とした（ｎ１＝１）。収集円錐角は１０〜８０°までの可変とした。エミッタの底は８０％反射率の反射体として固定した。側壁は完璧な吸収体（Ｒ＝０％）又は反射体（Ｒ＝１００％）のいずれかとした。

レンズレットの形を作るために、２つの構成要素を構築した。第１は単独のエミッタであり、第２はテクスチャのあるエミッタを含んでいた。第１の構成要素を第２の構成要素に埋め込んだ。レンズレットの基底の表面は光学的に滑らかであり、フレネルロス及び好ましい方向として確率論的光線分岐を有する。第２の構成要素のテクスチャは光学的に滑らかであり、フレネルロス及び好ましい方向として確率論的光線分岐を有する。それら２つの構成要素の側面の光学的特性は、それぞれのシミュレーションで同じ値に設定した。

モデルには２つのレシーバーを含めた（遠視野及び近視野）。無限遠視野レシーバーでスラブ全体を取り囲み、０〜３６０度の経度データ及び０〜１８０度の緯度データを収集した。近視野レシーバーは光学素子の上面のレンズレットテクスチャの天頂に配置し、入射光線を収集した。空間輝度角度は集束角をシミュレーションするように変化させるか又は固定した。

発せられた光の道を理解するためにノンシーケンシャル光線トレースを使用した。光線は、表面に１，０００回当たった後にのみ、シミュレーションから外した。それぞれのシミュレーションに１０，０００の光線を使用した。それらのモデルで、発光領域からレンズレットの基底までの厚さ、発光区域、収集円錐角、及びレンズレットパラメータを変化させた。

シミュレーション方法

任意のサイズの複数の局所的発光領域を有する発光材料上のレンズレットのアレイをシミュレーションするために、単一のレンズレットを有する発光材料をモデル化した。図３のプロットは、単一の局所的発光領域、３×３アレイの局所的発光領域上の３×３アレイのレンズレット、９×９アレイの局所的発光領域上の９×９アレイのレンズレット、及び１５×１５アレイの局所的発光領域上の１５×１５アレイのレンズレットの発光効率を示す。側壁の条件は全ての場合において１００％反射性であった。プロットは、単一の発光領域を有する単一のレンズレットを用いて発光領域を有するレンズレットのアレイをシミュレーションすることの妥当性を裏付けた。それぞれのアレイサイズで、プロットは、この範囲の発光材料の厚さ値の大半で重なり合い、効率の値は類似したピークを示した。小さい差は、光が周囲に逃げた後の近隣のレンズレットからの散乱によるものである。

収集円錐角及び、発光領域からレンズレット基底までの距離の影響

投射システムのような、狭い収集円錐角内での高い光出力を要求する用途では、発光構成要素が投射レンズの収集円錐角の中に向けて高い量の光を発することが要求される。

収集円錐角が光出力効率に与える影響をシミュレーションするためのモデルを構築した。局所的発光領域は１×１μｍに固定し、一方、円錐角及び、発光領域からレンズレット基底までの厚さは変化させた。レンズレットの屈折率は発光領域の屈折率と等しく設定した（ｎ２＝ｎ３＝２．３９）。図４は、様々な円錐角内で収集された光出力効率の曲線を示す。

それぞれの円錐角で、最大の発光効率をもたらす発光領域からレンズレット基底までの距離があったが、この値は円錐角に依存した。広い収集円錐角の場合に比べ、収集円錐角が狭いほど最大効率は低くなり、焦平面のより近くに位置付けられた。最大効率は、例えば半球すなわち円錐角＝９０°に接近するなど、光がより広い円錐角に収集されたときに得られた。しかし、光を方向付ける用途では、およそ３０°の収集円錐角がより実用的である。

所与の円錐角で、最大光出力効率が達成されるのは局所的発光領域が焦点にあるときではなく、発光領域からレンズレット基底までの距離がレンズレットの基底から焦点までの距離よりわずかに小さいときである。それぞれの円錐角の最大光出力効率は最大収集角（９０°）で曲線にアプローチし、ごくわずかな高角度の光出力があったこと、すなわちより少ない迷光であったことを示した。

レンズレットのない発光材料で半球内で収集された最大光出力は、３０°の収集円錐角のレンズレットでの場合の５分の１であった。発光表面へのレンズレットの追加は、光がハイインデックス媒体を出てより低いインデックスの材料に入る機構を提供することによって光出力効率を増した。半球円錐角に光を収集する用途では、発光体をレンズレットの基底に直接に配置することで、より高い光出力効率が得られた。しかし、投射システムのように狭い円錐角（約３０°）に光が収集される、光が方向付けられる用途では、発光体がレンズレットに近いときに（発光領域からレンズレット基底までの距離が０．５〜約２μｍ）視準が失われ、一方、発光体が焦点から遠くなると（発光領域からレンズレット基底までの距離が約３μｍ）レンズレットが抽出機構として作用することが示された。理論による拘束は望まないが、最大光出力効率は視準と光抽出の組み合わせとして理解され得る。

発光区域及びレンズレット基底区域の影響

レンズレットと結合された局所的発光領域は、レンズレットの有無に関わらず連続発光領域より優れた光出力効率を提供した。

発光領域が小さくなるほど最大光出力効率が増すことを示すためにモデルを作った。モデルに３０°の収集円錐角を使用して、光が方向付けられる用途すなわち投射システムにおけるような２次的光学系への光の収集をシミュレーションした。典型的な投射レンズシステムで使用されるｆ＃は０．８６６（開口数０．５）であり、これは収集円錐角３０°の場合である。様々な発光区域を、５μｍの高さ及び曲率半径を有する固定された半球レンズレットと結合した。レンズレットの屈折率は発光領域の屈折率と等しく設定した（ｎ２＝ｎ３＝２．３９）。

図５は、このモデルで使用した様々な区域の局所的発光領域で結果的に得られた曲線を示す。それぞれの区域で、最大光出力効率はレンズレットの曲率中心と焦点との間で生じた。発光区域による最大値の場所の有意な変動はなかった。しかし、光出力効率は発光区域に依存し、最小の発光領域で光出力効率の最高のピークがあった。したがって、局所的発光領域へのレンズレットの結合の利益は、発光区域の増加と共に減少した。

表１は、様々な比の発光区域対レンズレット基底区域での最大光出力効率の要約を示す。発光材料の表面にレンズレットがない場合と比較した、それぞれの比での光出力効率の強化も与えられる。０．０１３の比では、焦点（レンズレット基底から３．６μｍに位置する）での光出力効率は０．１６であり、一方、最大光出力効率（発光領域は２．０μｍに位置する）は０．４０であった。レンズレットがない場合（効率は０．０１９）と比べ、これは２１倍の光出力の強化を提供した。発光区域対レンズレット基底区域の比が約０．２を超えて増すにつれて、発光領域を曲率中心と焦点との間の任意の位置に位置付けることの光出力効率への影響の低下が観察された。また、高い屈折率の発光表面への抽出機能の追加が、０．１２の光出力効率を３０°の収集円錐角に与えることも示された（有限差分時間領域法を用いた抽出機能で同様の発光体をモデル化したとき）。したがって、約０．１を超える比では、抽出機能でなくレンズレットを用いることにより得られる効率の利益はほとんどなかった。

表１：レンズレット区域に対する発光区域の比率及び最大光出力効率の要約

レンズレット屈折率の影響

レンズレット屈折率が光出力効率に与える影響を確立するためにモデルを構築した。レンズレットの高さ及び曲率半径は５μｍに固定した。局所的発光領域は１×１μｍに固定した。図６は、１．６、２．０、２．４、２．８、及び３．０のレンズレット屈折率（ｎ２）の曲線を表示する。レンズレットの屈折率から独立して、発光領域と結合されたレンズレットがレンズレットのないケースより有意に高い光出力効率を有するものとしてそれぞれのケースを考慮した。屈折率と共に最大光出力効率が変化することが観察され、最高の効率は最高の屈折率から得られた。

最大光出力効率のためのソースの位置を更に理解するために計算を行った。任意の球面キャップを有するレンズレットの場合

式中、Ｈはレンズレットの高さ、Ｒはレンズレットの曲率半径、Ｄはレンズレットの基底で測定した直径である。図７を参照することにより、このセクションを通して等式に使用される変数をよりよく理解することができる。

近軸幾何光学に基づくレンズレットの像焦点距離ｆ_ｉ

ｆ_ｉの値は、レンズレットの天頂Ｖから光軸沿いのレンズレットの焦点までの距離である。

モデルにおいて、局所的発光領域又はソース（Ｓ）の位置は、最大光出力効率を得るために、光軸に沿って測定したレンズレット基底から発光領域までの距離（ｘ_ｓ）を調節することによって変化させた。

この結果を一般化するために、発光領域の場所Ｓは、レンズレットの２つの幾何学的場所すなわち（１）曲率中心Ｃ及び（２）ｆ_ｉとの間の光軸に沿ったその相対的位置として表した。レンズレット基底をこれらの計算の源として選択した場合のｘ_ｃ値及びｘ_ｆ値

したがって、これらの主点σに対する発光領域の場所の縮尺位置は次のようになった。

並びに、ｘ_ｓ０が最大光出力効率でのソースのｘ位置であるならば、最大光出力効率を有する発光領域の場所の縮尺位置σ_０は次のようになった。

図７は、レンズレット部分（球面キャップ）の屈折率と異なる屈折率ｎ３を有する材料に発光領域が含浸されたときのケースでの単一のレンズレット構造を示す。ＶからＢへの領域は屈折率ｎ２を有し、Ｂの右の部分は屈折率ｎ３を有する。レンズレットの焦点距離ｆ_ｉは上記等式から算出したが、光線がレンズレットの基底で境界を横切るとき、それらは屈折率の変化によって曲がる。要素８３４及び８３６（図７）によってこれらの光線の曲がりを図示した。この曲がりによって、幾何学的点である曲率中心８１０（Ｃ）及び焦点８１２（ｆ_ａ）はｎ３媒体において異なる場所（見掛け曲率中心８３０（Ｃ_ａ）及び見掛け焦点８３２（ｆ_ａ））にあるように見えるようになる。再び近軸近似を用いると、レンズレットの基底Ｂから見掛け曲率中心及び見掛け焦点までの距離は次のようになる。

Ｒ＞Ｈ及びｆ_ｉ＞Ｈと仮定する。

これらの等式を用いて、発光領域媒体と異なる屈折率を有するレンズレットのケースでの最適の発光領域の場所σ_０の縮尺位置を計算した。

図８は、１×１μｍに固定した局所的発光領域で構築された。レンズレットの高さ及び曲率半径は、レンズレット基底直径に対する曲率半径の比の範囲を得るために変化させた。図８の曲線は、レンズレット屈折率が１．６、２．０、２．４、２．８、及び３．０であり発光材料の屈折率が２．３９に固定されている場合の変化、並びにレンズレット及び発光材料の両方の屈折率が１．８及び３．５の屈折率で一致する場合の変化を含む。屈折率及び曲率半径の異なるケースを比較するために、最大光出力効率の絶対位置を見掛け焦点と見掛け曲率中心との間のその相対位置に縮尺して得た値をσ_０と呼ぶ。図８は、σ_０がレンズレット基底直径に対するレンズレット曲率半径の比の関数としてどのように変化するかを示す。したがって、曲線上のそれぞれの点は、所与のレンズレット屈折率とレンズレット基底直径に対する曲率半径の比とを組み合わせた場合の最大光出力効率を表す。レンズレット基底直径は１０μｍで固定されるので、大きい曲率半径は、発光領域が光学的曲率中心に近いときに、最適な光出力効率の解決策をもたらした。同様に、小さい曲率半径では、最大光出力効率の解決策は光学的焦点に近かった。

同様の手順を他の光学素子に使用して、最大光出力効率のための発光位置を位置決めすることができる。四角のアウトラインを含む図８の点は、本明細書に記載のシステムから光出力効率の最大の利益をもたらす条件を示す。これらの点は、上記の抽出機能でのケースで得られた効率よりずっと上である。図８の点線を辿る点は、抽出機能からの効率と比べてさほど高くない効率の値を提供する。点線より上及び点線の右の点は、抽出機能から得られたのと同様の光出力効率を提供する。点線は次の関数によって定義される。

いくつかの実施形態で、本願は、抽出機能によって提供され得るよりも大きい効率の改善を提供するためにレンズを使用する素子を提供する。しかし、抽出機能と同様の光出力効率を有する視準を要求する用途では、点線より上又は点線の右のパラメータを有するレンズを使用することができる。

上記の例から、性能が最適化される点での見掛け曲率中心８３０と見掛け焦点８３２との間の発光領域８０６の位置の（領域直径８２０との）関係を決定することができた（光学的クロストーク、効率、及び光の視準に関して）。

この関係を図８によって描いた線関数によって示す。線の左及び下の点は距離σ_ｏの最適化された範囲内にある（０〜１の間）。σ_０は正規化距離としての役割を果たすことに留意されたい。このケースで、０のσ_０値は見掛け曲率中心の位置と等しく、１のσ_０値は見掛け焦点と等しい。換言すると、σ_０値は見掛け曲率中心から見掛け焦点（光軸に沿って）までの移動距離の分数と等しい。図７を参照すると、σ_０は見掛け曲率中心８３０及び見掛け焦点８３２からの位置の距離であり、合計距離８１８は１に等しい。

次いで、その最適化された線で、（曲率半径／レンズレット基底距離）との関係における発光領域の適切な位置を画定することができる。適切なσ_０の位置（０より大きい）

しかし、もう少し誤差の余地を許し、数の切捨てを所望により行うと、次のようになる。

また、レンズレットに対する発光領域の配置に関する許容可能なパラメータを、より一般化された方法で定めることも可能である。例えば、レンズレットが１．８〜３．５の屈折率を有し、レンズレットの曲率半径をレンズレットの基底直径で割ったものが０．５より大きく０．７５未満である場合、発光領域は見掛け曲率中心と見掛け焦点との間に位置付けられる。

上記等式は、視準及び効率を最適化するために光学的に結合されたレンズレットからの局所的発光領域の配置を決定するための方法としても理解され得る。この方法は、上記等式にしたがった距離に素子を位置付ける工程を含む。あるいは、局所的発光領域とレンズレット材料の屈折率（ｎ３とｎ２）の差によって決定することもできる。

別の適切な方法は、発光領域の空間的配置を決定するためのより一般化された方法である。したがって、図８の線関数を辿るよりむしろ、曲率半径をレンズレット基底直径で割ったものが０．７５未満となるような配置を決定することができ、画素化撮像装置は見掛け曲率中心と見掛け焦点の間に位置付けられる。

クロストークの最少化

発光性撮像素子を含む用途で高い画質を得るためには、それぞれのピクセルが生成する光がそのピクセルの真上に発光するように光を方向付けることが極めて重要である。本明細書に記載の装置の条件を用いてクロストークの最少化をシミュレーションするモデルを作製した。このモデルは単一の半球レンズレットに結合された単一の局所的発光領域を含む。側壁は０％反射性又は１００％反射性のいずれかを選択した。０％反射性の側壁は、隣接するピクセルに移動せずにピクセルを出た光の分数のシミュレーションを可能にした（すなわち、側壁に当たった光の吸収は、隣接するピクセルに伝播したいかなる光の吸収とも同じであった）。１００％反射性の側壁は、光がどのピクセルを出たかに依らず、ピクセルアレイを出た光の合計量をシミュレーションすることを可能にした。

クロストークのレベルはピクセルの忠実度Φによって表すことができ、その忠実度は１００％反射性の側壁での効率に対する０％反射性の側壁での効率の比であり、すなわちクロストークの逆である（全てのピクセルを出る光の量を所望のピクセルを出る光の量で割ったものとして定義される）。

図９は、２つの反射性条件の光出力効率の曲線を示す。

２つの曲線のピークの光出力効率に変化はほとんど見られなかった。ピクセルの忠実度は図９の２次ｙ軸上に含めた。１．０の付近の高いピクセル忠実度は、収集された光のほとんどが発光領域からその付随のレンズレットを通って出たことを示すので、望ましい。最も好ましくは、その忠実度は０．８〜１．０の間となる。発光領域とレンズレット基底との間の距離が増すにつれて、ピクセル忠実度Φは減少し、したがって、クロストークが増した。高忠実度と高光出力効率との間には相関があり、このことは、光のランダムな抽出はなく、しかしその光に対応する局所的発光領域の真上に光は発されていたことを示唆するものであった。光出力効率の最適化及びクロストークの最少化の両方の利益を得ることは可能である。

Claims (37)

1. 光源であって、
   モノリシック発光性半導体素子と、
   レンズレットのアレイと、を備え、前記レンズレットは光学的及び機械的に前記モノリシック発光性半導体素子と結合され、
   前記モノリシック発光性半導体素子は局所的発光領域のアレイを備え、それぞれの領域は与えられたレンズレットに対応し、
   前記レンズレットは見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）、見掛け焦点（ｆ_ａ）、曲率半径（Ｒ）、及びレンズレット基底直径（Ｄ）を有し、前記基底直径は前記モノリシック発光性半導体素子との交点での前記レンズレットの幅であり、
   前記レンズレットの光軸に沿ったＣ_ａとｆ_ａの間の距離は、Ｃ_ａが距離０に位置付けられｆ_ａが１の点に位置付けられるように正規化され、
   それぞれの局所化発光領域は０より大きく
   

   

   
   
   より小さい点に位置付けられ、
   それぞれの発光領域は直径を有し、前記発光領域の直径の寸法は対応するレンズレット基底直径の３分の１以下である、光源。
2. 前記モノリシック発光性半導体素子から発された光の６０％が３０度の円錐半角内で前記レンズレットアレイを出る、請求項１に記載の光源。
3. それぞれのレンズレットがピクセルに対応し、前記光源が０．８〜１．０のピクセル忠実度を有する、請求項１に記載の光源。
4. 前記モノリシック発光性半導体素子がＬＥＤ、超光輝性ダイオード、又はフォトルミネッセント量子井戸材料アレイを含む、請求項１に記載の光源。
5. 前記レンズレット及び発光領域がそれぞれ屈折率を有し、前記レンズレットの屈折率が前記発光領域の屈折率以上である、請求項１に記載の光源。
6. 前記レンズレット及び発光領域がそれぞれ屈折率を有し、前記レンズレットの屈折率が前記発光領域の屈折率以下である、請求項１に記載の光源。
7. 前記モノリシック発光性半導体素子が半導体材料を含み、前記レンズレットが前記半導体材料内に形成される、請求項１に記載の光源。
8. 前記レンズレットが成長基板内に形成される、請求項１に記載の光源。
9. 前記レンズレットが、半導体材料と結合された２次材料内に形成される、請求項１に記載の光源。
10. 前記レンズレットが成形される、請求項９に記載の光源。
11. 前記成形されたレンズレットが、次いで、接着剤又はウェハ結合手法によって前記モノリシック発光性半導体素子に結合される、請求項１０に記載の光源。
12. 前記発光領域が個々にアドレス可能である、請求項１に記載の光源。
13. 前記発光領域が電界発光性材料又は光輝性材料内に位置付けられる、請求項１に記載の光源。
14. 前記モノリシック発光性半導体素子の、前記レンズレットアレイと反対側の表面上に位置する、反射性背面を更に備える、請求項１に記載の光源。
15. 前記レンズレットのアレイの少なくとも１つのレンズレットが球形レンズレット、円筒形レンズレット、又は非球形レンズレットとして形成される、請求項１に記載の光源。
16. 半導体光源であって、
    局所的発光領域のモノリシックアレイと、
    それぞれのレンズレットが、１対１の関係において局所的発光領域に対応し、それからの光を受け取るために前記素子に光学的に結合される、レンズレットのアレイと、を含み
    それぞれのレンズレットは曲率半径（Ｒ）、レンズレット基底直径（Ｄ）、見掛け焦点（ｆ_ａ）、及び見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）を有し、
    

    

    
    
    σ_ｏはＣ_ａとｆ_ａの間の負の正規化距離であり、
    更に、それぞれの発光領域は直径を有し、前記発光領域直径は、それが光学的に結合される前記レンズレットの前記レンズレット基底直径の３分の１以下である、半導体光源。
17. 前記局所的発光領域のアレイから発光される光の６０％が、３０度の円錐半角内で前記レンズレットのアレイを出る、請求項１６に記載の光源。
18. 前記レンズレット及び発光領域がそれぞれ屈折率を有し、前記発光領域の屈折率が前記レンズレットの屈折率以上である、請求項１６に記載の光源。
19. 前記レンズレット及び発光領域がそれぞれ屈折率を有し、前記発光領域の屈折率が前記レンズレットの屈折率以下である、請求項１６に記載の光源。
20. 前記発光領域のアレイが前記レンズレットのアレイと同じモノリシック構造内に形成され、前記発光領域と前記レンズレットが同じ材料を含む、請求項１６に記載の光源。
21. 前記発光領域が個々にアドレス可能である、請求項１６に記載の光源。
22. 前記発光領域が電界発光性材料又は光輝性材料内に位置付けられる、請求項１６に記載の光源。
23. 前記発光領域のモノリシックアレイの、前記レンズレットのモノリシックアレイの反対側に位置付けられた反射性背面を更に備える、請求項１６に記載の光源。
24. 前記レンズレットのアレイの少なくとも１つのレンズレットが球形レンズレット、円筒形レンズレット、又は非球形レンズレットとして形成される、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の光源。
25. 光源であって、
    モノリシック発光性半導体素子と、
    前記モノリシック発光性半導体素子と光学的及び機械的に結合され、１．８〜３．５の屈折率を有するレンズレットのアレイと、を備え、
    前記モノリシック発光性半導体素子は局所的発光領域のアレイを備え、それぞれの領域は与えられたレンズレットに対応し、
    前記レンズレットは見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）、見掛け焦点（ｆ_ａ）、曲率半径（Ｒ）、及び基底直径（Ｄ）を有し、Ｄは前記モノリシック発光性半導体素子との境界面での前記レンズレットの幅であり、
    

    

    
    
    式中、それぞれの発光領域はその対応するレンズレットのＣ_ａとｆ_ａの間に配置され、
    それぞれの発光領域は直径を有し、前記発光領域直径はそれに対応するレンズレットの基底直径の３分の１以下の直径である、光源。
26. 前記レンズレットのアレイが前記発光領域のアレイと機械的に結合される、請求項２５に記載のモノリシック光源。
27. 光学的に結合されたレンズレットから発される光の視準及び効率を最適化するために局所的発光領域の配置を決定する方法であって、前記発光領域を前記レンズレットの見掛け焦点（ｆ_ａ）と前記レンズレットの見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）の間に位置付ける工程を含み、Ｃ_ａからｆ_ａに向かって置かれる距離の百分率（σ_ｏ）が、
    

    

    
    
    の関係を有し、式中、Ｄは光学的に結合された発光領域の直径の少なくとも３倍である、方法。
28. 発される光の視準及び効率を最適化するために、光学的に結合されたレンズレットからの局所的発光領域の配置を決定する方法であって、前記発光領域を前記レンズレットの見掛け焦点と前記レンズレットの見掛け曲率中心との間に位置付ける工程を含み、前記見掛け曲率中心から前記見掛け焦点に向かって位置付けられる距離の百分率が、前記発光領域と前記レンズレット材料との間の屈折率の差によって決定される、方法。
29. 光源を生成する方法であって、画素化発光領域のアレイを有するモノリシック発光性半導体素子を提供する工程と、レンズレットのアレイを前記モノリシック素子の光出力表面上に形成する工程と、を含み、それぞれのレンズレットは発光領域に対応し、前記レンズレットは、前記レンズレットの曲率半径をレンズレット基底直径で割ったものが０．７５未満になるように、並びに前記レンズレットの見掛け焦点距離及び前記レンズレットの見掛け曲率中心が前記画素化発光領域を取り囲むように、形成され、前記画素化発光領域は、前記見掛け曲率中心と前記見掛け焦点との間に位置付けられ、それぞれの発光領域は、対応するレンズレット基底直径の３分の１以下の直径を有する、方法。
30. 前記モノリシック素子の光出力表面が前記発光領域を形成する材料と異なる材料を含み、前記光出力表面が前記発光領域に結合される、請求項２９に記載の方法。
31. 前記発光領域上に前記レンズレットが形成される前に、前記光出力表面が前記発光領域に結合される、請求項３０に記載の方法。
32. 前記レンズレットが前記発光領域上に形成された後に、前記光出力表面が前記発光領域に結合される、請求項３０に記載の方法。
33. 前記光出力表面及び発光領域が同じ材料からなる、請求項２９に記載の方法。
34. 前記出力表面材料をレンズレットの形にエッチングする工程を更に含む、請求項３３に記載の方法。
35. 前記レンズレットのアレイが、フォトレジストリフロー、グレースケールリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、インクジェットレジスト印刷、又は干渉リソグラフィである第１の工程と、エッチングである第２の工程とによって形成される、請求項２９に記載の方法。
36. 前記画素化発光領域が、電極設計又は空間選択的イオン注入による局所的電流注入によって形成される、請求項２９に記載の方法。
37. 光源であって、
    第１の屈折率を有するモノリシック発光性半導体素子と、
    第２の屈折率を有するレンズレットのアレイであって、前記レンズレットが前記モノリシック発光性半導体素子に光学的及び機械的に結合される、第２の屈折率を有するレンズレットのアレイと、を有し、
    前記第１の屈折率に対する前記第２の屈折率の比は０．６〜１．５であり、
    前記モノリシック発光性半導体素子は局所的発光領域のアレイを備え、それぞれの領域は与えられたレンズレットに対応し、
    前記レンズレットは見掛け曲率中心（Ｃ_ａ）、見掛け焦点（ｆ_ａ）、曲率半径（Ｒ）、及び基底直径（Ｄ）を有し、Ｄは前記モノリシック発光性半導体素子との境界面での前記レンズレットの幅であり、
    

    

    
    
    式中、それぞれの発光領域はその対応するレンズレットのＣ_ａとｆ_ａとの間に位置付けられ、
    それぞれの発光領域は直径を有し、前記発光領域直径は、その対応するレンズレットの基底直径の３分の１以下である、光源。

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