JP2016526276A - 光学系配置構造および表示装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、キャリア(1)の上に多数の発光チップ(2)を備えている。この場合、第1の発光チップそれぞれが第1のグループ(21)のピクセルを備えており、第2の発光チップそれぞれが第2のグループ(22)のピクセルを備えている。第1の発光チップの1つと、第2の発光チップの1つとが、キャリア(1)の上に平面状に第1のユニットセル(E1)において配置されている。さらに、光学素子が設けられており、この光学素子は、発光方向において発光チップ(2)の下流に配置されている。第1のグループ(21)のピクセルからの光と、第2のグループ(22)のピクセルからの光が、取り出し面(7)における第2のユニットセル(E2)において組み合わされるように、第1のグループ(21)のピクセルと第2のグループ(22)のピクセルによって放出された光が導かれるように設計されており、第2のユニットセル(E2)それぞれが第1のユニットセル(E1)それぞれの領域よりも小さい領域を有する。
Description
本発明は、光学系配置構造および表示装置に関する。
ディスプレイなど最近の表示装置は、多数の画素(またはピクセル)の配置構造をしばしばベースとしている。このようなディスプレイの解像度は、画素自体のサイズの一次近似に依存する。発光ダイオード(LED)をベースとする発光チップを使用して、高解像度ディスプレイを製造することができる。色を表示させるため、赤、緑、青(RGB)などの三原色における多数の小さい発光LEDチップを組み立てなければならない。HDTV(高精細度テレビ)の場合、約600万個のチップが必要である。この方法にはさまざまな欠点がある。第一に、多数の小さなチップを配置して接続するためには、相当な時間と技術的コストが要求される。第二に、小さいチップの専有面積の効率性が、製造工程時に例えば分離や接続によって領域が失われることで、低減する。第三に、小さいチップは、より大きいチップよりも、小電流問題(small current problems)の影響を受けやすい。
これに代えて、1種類の原色(通常では青色)を有するピクセルLEDチップ(pixelated LED chip)を使用することができ、チップのピクセルに、緑色および赤色など別の色のための適切な変換要素を交互に設けることができる。この方法では、高効率かつ安定的な赤色変換要素がないことに加えて、変換要素の必要な厚さが約100μmであることにより、特に、実現可能な最小ピクセル寸法が幾何学的に制限される。
より簡単な工程によって製造することができ、高い解像度を提供することのできる光学系配置構造および表示装置が必要とされている。
一実施形態においては、本光学系配置構造は、キャリア上に多数の発光チップを備えている。本光学系配置構造は、それぞれが第1のグループの複数のピクセルを有する第1の発光チップを備えている。さらに、本光学系配置構造は、それぞれが第2のグループの複数のピクセルを有する第2の発光チップを備えている。さらに、第1の発光チップの1つと、第2の発光チップの1つとが、キャリア上に2次元的に第1のユニットセルにおいて配置されている。さらに、本光学系配置構造は、発光方向において発光チップの下流に配置されている光学素子を備えている。
光学素子は、少なくとも1つの第2のユニットセルが第1のユニットセルのそれぞれ1つの領域よりも小さい領域を有するように、第1のグループのピクセルおよび第2のグループのピクセルによって放出された光を、取り出し面(decoupling plane)における第2のユニットセルにおいて組み合わせるように、構成されている。さらに、第2のユニットセルそれぞれが、第1のユニットセルのそれぞれ1つの領域よりも小さい領域を有することが可能である。一例として、本光学系配置構造は、第1のユニットセルおよび少なくとも2つの第2のユニットセルを備えており、第2のユニットセルそれぞれが、第1のユニットセルの領域よりも小さい領域を有する。
キャリアは、一例として、セラミック材料から作製されており、光学系配置構造を制御ユニットに接続できるようにする目的で、電気接続部を備えている。この場合、第1のグループのピクセルが第1の波長の光を放出するように構成されており、第2のグループのピクセルが異なる波長の光を放出するように構成されていることが好ましい。一例として、第1のグループのピクセルが赤色光を放出し、第2のグループのピクセルが緑色光を放出する、またはこの逆である。しかしながら、第1のグループのピクセルまたは第2のグループのピクセルが青色光を放出することも可能である。個々のピクセル(画素とも称される)は、発光ダイオードを使用して実施されていることが好ましい。光学素子は、レンズ(特に、フレネルレンズ)、格子、バイナリ回折素子(binary diffractive element)などの光学要素を備えていることが好ましい。
用語「ユニットセル」は、個々の発光チップのグループが形成されるように並べられた、発光チップの配置構造または発光領域に関する。第1のグループのピクセルを有する1つまたは複数の発光チップと、第2のグループのピクセルを有する1つまたは複数の発光チップが、それぞれ第1のユニットセル内に配置されており、第1のユニットセル内のそれぞれのチップの数もしくは配置構造またはその両方は同じであることが好ましい。1つのグループのピクセルは、互いに隣接していることが好ましい。さらに、1つのグループのピクセルは、同じピークまたは同じ主波長を有する、または同じスペクトル領域において放出する、または同じ製造タイプであるという意味において、互いに似ていることが好ましい。ただし製造に依存するばらつき(異なる発光強度など)は生じうる。ピクセルの1つのグループを有する発光チップは、ピクセルのさらなる(好ましくは異なる)グループを有するさらなる発光チップに隣接している。特に、本出願の意味において、第1のユニットセルは、光学素子を記述するために使用できる、隣り合う発光チップの最小のユニットである。さらには、「キャリア上の2次元的な配置」という表現は、発光チップを、例えば1列に互いに隣り合うように配置する、または行列状に配置することの両方が可能であることを意味するものと理解されたい。
第2のユニットセルは、取り出し面に定義されている。第2のユニットセルは、複数の異なるグループのピクセルからの、光学素子によって導かれた光、を含む。特に、第2のユニットセルは、取り出し面における光の再配置を記述するために使用できる、取り出し面における隣り合うピクセルの最小のユニットである。
類似する発光画素(またはピクセル)のグループをそれぞれが有する発光チップを使用することによって、単純化された製造法が可能である。それぞれの発光チップにおいて、ピクセルの類似するグループが組み合わされる。これは製造において有利であり、なぜなら、さまざまなカラーフィルタを含むフィルタの配置(例えばベイヤー配列方式)、または個々のピクセルに割り当てられる変換要素を省くことが可能であるためである。これにより、より単純であるのみならず、より費用効果の高い製造法となる。
本光学系配置構造の全体としての高い解像度は、光学素子を使用することによって得られ、なぜなら、たとえ類似するピクセルのグループを有する発光チップそれぞれが第1のユニットセルにおいて互いに隣り合う場合でも、第2のユニットセルそれぞれにおいて、異なるグループのピクセルからの光が組み合わされるためである。特に、解像度は、発光チップのサイズ(例えば発光チップの辺長)によって制限されない。そうではなく、ピクセルから放出される光が光学素子によって再配置されるため、達成可能な解像度は、ピクセル自体のサイズに依存する。
再配置によって、異なる波長の光が第2のユニットセルにおいて組み合わされ、第2のユニットセルは、類似するピクセルのグループを有する発光チップによって実質的に形成されている第1のユニットセルよりも小さい領域を有する。したがって、本光学系配置構造では、結果としての第2のユニットセル(ピクセルからなる)が、(チップからなる)第1のユニットセルよりも小さいように、チップによって放出される光が再配置される。言い換えれば、本光学系配置構造は、チップによって放出される光の向きを変化させ、さらにフォーカスすることができる。ピクセルの第2のユニットセルの辺長は、一例として、第1のユニットセルの辺長の1/4である。結果として、直接発光型RGBディスプレイ(directly emitting RGB display)の設計上の利点が得られる。
さらなる実施形態によると、第3の発光チップが、キャリア上に2次元的に配置されており、それぞれが第3のグループの複数のピクセルを有する。この場合、第1のユニットセルそれぞれは、第1の発光チップの1つと、第2の発光チップの1つと、第3の発光チップの1つとを備えている。
第3のグループのピクセルは、第1のグループのピクセルによって放出される光の波長と、第2のグループのピクセルによって放出される光の波長とはそれぞれ異なる波長の光を放出することができる。特に、第1のグループのピクセルと、第2のグループのピクセルと、第3のグループのピクセルは、それぞれ、他の2つのグループのピクセルの光とは異なるスペクトル色を有する光を放出することができる。したがって、一例として、1つのグループのピクセルが赤色光を生成し、さらなるグループのピクセルが緑色光を生成し、最後のグループのピクセルが青色光を生成する。したがって、第1の発光チップと、第2の発光チップと、第3の発光チップは、3つの異なる色の光を生成する。
この場合、光学素子は、少なくとも1つの第2のユニットセルが、第1のユニットセルのそれぞれ1つの領域よりも小さい領域を有するように、取り出し面における第2のユニットセルにおいて、第1のグループのピクセル、第2のグループのピクセル、および第3のグループのピクセルによって放出された光を組み合わせるように構成されている。
ピクセルの第3のグループを有する第3の発光チップを使用することによって、本光学系配置構造を使用してより多くの色を表示することが可能である。一例として、これにより、特定のカラーモデルを表示するための基本構造が提供される。一例として、第1のグループのピクセルと、第2のグループのピクセルと、第3のグループのピクセルを、RGBカラーモデルの原色である赤色、緑色、青色に割り当てることができる。この場合、光学素子は、3つの原色を有する(したがって例えばRGB原色すべてを有する)第2のユニットセルを提供することができる。
さらなる実施形態によると、第1の発光チップと、第2の発光チップと、第3の発光チップが、キャリア上に横方向に互いに隣り合うように、または行列状に互いに隣り合うように、配置されている。
さらなる実施形態によると、少なくとも第4の発光チップが、キャリア上に2次元的に配置されており、それぞれ、少なくとも1つの第4のグループの複数のピクセルを有する。この場合、第1のユニットセルそれぞれは、第1の発光チップの1つと、第2の発光チップの1つと、第3の発光チップの1つと、少なくとも1つの第4の発光チップとを備えている。第4のグループのピクセルは、一例として、緑色光を放出することができる。
この場合、光学素子は、少なくとも1つの第2のユニットセルが、第1のユニットセルのそれぞれ1つの領域よりも小さい領域を有するように、取り出し面における第2のユニットセルにおいて、第1のグループのピクセル、第2のグループのピクセル、第3のグループのピクセル、および少なくとも第4のグループのピクセルによって放出される光を組み合わせるように構成されている。
少なくとも第4の発光チップを使用することは、前に提示した、2つのまたは3つの異なる発光チップをベースとする配置構造の発展形態である。この場合に可能であることとして、第4のグループのピクセルそれぞれに第4の色が割り当てられ、したがって本光学系配置構造は、4つの原色に基づくカラーモデルを表示することができる。しかしながら、合計で4種類の発光チップまたはそれぞれのピクセルのグループのうちの2つが、同じ波長を放出することも可能であり、したがって例えば、赤色、緑色、緑色、青色によるベイヤー配列を表現することができる。別の割当ても同様に可能であり、例えば、それぞれが第5のグループの複数のピクセルを有する第5の発光チップなどである。
さらなる実施形態によると、第1のユニットセルの少なくとも1つが、多数の第1の発光チップまたは多数の第2の発光チップを有する。
さらなる実施形態によると、キャリアは、平面または湾曲面を有する。この方法においては、本光学系配置構造を、平面状に使用する、例えば面発光装置または面発光ディスプレイとして使用することができる。しかしながら、湾曲したキャリアによる3次元形状に従って本配置構造を具体化することも同様に可能である。
さらなる実施形態によると、第1の発光チップ、第2の発光チップ、第3の発光チップ、および/または第4の発光チップは、キャリア上に規則的な2次元格子状に配置されている。特に、規則的な2次元格子は、周期的または準周期的とすることができる。
一例として、格子は、キャリア上に第1のユニットセルにおいて定義されている発光チップの配置構造を、周期的または準周期的に反復させることによって得られる。この反復は、キャリアの表面に沿った2つの異なる方向に進めることによって定義されることが好ましい。このように光学素子を具体化する結果として、取り出し面における第2のユニットセルに基づく反復格子がさらに得られる。
さらなる実施形態によると、規則的な2次元格子は、正方格子、六角格子、または準結晶格子を有する。
この場合、正方格子、六角格子、または準結晶格子の形における2次元格子に従って発光チップを配置することが可能である。一例として、目的の用途が、湾曲した2次元ダイレクトディスプレイ(curved, areal direct display)である場合、例えば球形のサッカーボールを構築するのに五角形や六角形の形状による2次元格子が適しているように、対応して湾曲したチップ配置を考慮することができる。
さらには、発光チップのピクセルの各グループを、正方形パターン、六角形パターン、または準結晶パターンの形に配置することが考えられる。この場合、各2次元格子は、それぞれの発光チップがその外縁部において互いに隣り合うように、または互いに直接隣接するように配置され、したがって正方形、六角形、または一般的に多角形の形における2次元格子が形成されるように、実施することができる。
規則的な格子は、ユニットセルを空間内の3方向に周期的に反復させることによって構築することができる。したがって、2回対称、3回対称、4回対称、および6回対称のみを有する。しかしながら、ダブルユニットセル(または高次のユニットセル)を非周期的に反復させることもでき、本出願の意味においては準結晶格子を表す。一例としては、例えばいわゆるペンローズ格子が挙げられる。
さらなる実施形態においては、さらなる発光チップが、キャリア上に、2次元的に(特に平面状に)配置されており、それぞれ、ピクセルのさらなるグループを備えている。この場合、第1のユニットセルそれぞれは、第1の発光チップの1つと、第2の発光チップの1つと、第3の発光チップの1つと、第4の発光チップの1つと、さらなる発光チップ(例えばそれぞれが第5のグループの複数のピクセルを有する第5の発光チップ)の1つとを備えている。
この場合、光学素子は、少なくとも1つの第2のユニットセルが、第1のユニットセルのそれぞれ1つの領域より小さい領域を有するように、取り出し面における第2のユニットセルにおいて、第1のグループのピクセル、第2のグループのピクセル、第3のグループのピクセル、第4のグループのピクセル、およびさらなるグループのピクセルによって放出される光を組み合わせるように構成されている。さらには、第2のユニットセルそれぞれが、第1のユニットセルのそれぞれ1つの領域よりも小さい領域を有することができる。
このように、さらなる発光チップおよびピクセルのさらなるグループを使用することは、いわば、提示した光学系配置構造の原理を一般化することである。この方法を使用することで、さまざまな発光ピクセルを有する発光チップを柔軟に組み合わせて比較的大きな装置を形成することが可能である。
さらなる実施形態によると、キャリアと、発光チップと、光学素子からなる複合要素が統合されている。この場合、製造時に互いにすでに位置合わせされており、結果として調整が確保されている構成部品を有する構成要素は、本光学系配置構造の製造の範囲内である。これに代えて、キャリアに発光チップおよび光学素子を取り付けることが可能である。この場合、本光学系配置構造は、モジュール式であり、個々の構成要素を互いに個別に製造することができる。したがって、例えば、ウェハをベースとして本光学系配置構造を製造することが可能である。発光ウェハと、光学素子を備えているマイクロオプティクスウェハ(micro-optics wafer)とを個別に製造して結合することが好ましい。
さらなる実施形態によると、光学素子は、マイクロレンズのアレイを備えている。この場合、マイクロレンズは、発光チップによって放出された光の発散放射ビームをコリメートするように構成されている。さらに、平行な放射ビームをまとめることが可能である。したがって、発光チップのそれぞれのピクセルからの光が第2のユニットセルの中に導かれるように、マイクロレンズを利用してビームが導かれる。
さらなる例示的な実施形態によると、光学素子は、プリズムのアレイを備えている。この場合、プリズムのアレイは、光を導く、もしくは光の向きを変える、またはその両方を行うように構成されている。
プリズムのアレイを利用することで、第1のユニットセルにおける複数の異なる発光チップにおけるピクセルの各グループからの光が、第2のユニットセルにおいて再配置される。プリズムのアレイは、個々のプリズムの傾斜角およびアライメントが異なるピクセルそれぞれに対して異なるように具体化することができる。
さらなる実施形態においては、マイクロレンズのアレイおよびプリズムのアレイは、光学素子においてモノリシックに統合されている。
さらなる実施形態によると、マイクロレンズのアレイおよびプリズムのアレイは、個別の要素として具体化されている。
さらなる実施形態によると、キャリア上に配置されているピクセルそれぞれを個別に作動させることができる。特に、作動するピクセルそれぞれによって放出される光の強さは、調整可能である。
この方法においては、例えばLEDダイレクトディスプレイ(LED direct display)(すなわちLCDイメージャを使用しないディスプレイ)を実施することが可能である。そうでない場合、均一に発光するピクセルを有するLEDを備えたディスプレイ(例えばLCD)の場合、下流に結像素子を配置しなければならない。利点は、特に、比較的高い解像度である。
さらなる実施形態によると、キャリア上に配置されているピクセルは、カラーモデル規格に従って光を放出するように構成されている。カラーモデル規格は、特に、RGBカラーモデルまたはRGBYカラーモデルを備えていることができる。
一実施形態によると、本表示装置は、上に示した光学系配置構造を備えている。さらに、本表示装置は、キャリア上に配置されているピクセルを作動させるための制御ユニット、を備えている。
多数の発光チップは、適切な寸法のキャリア上に配置することができる。この場合、第1のユニットセルが最小の単位を構成する。この方法においては、本光学系配置構造を組み合わせて、スクリーン、テレビ、モニタなどの表示装置を形成し、そのように動作させることができる。特定の解像度において、例えばHDTV(高精細度テレビ)のディスプレイの場合、ピクセルチップ(pixelated chip)および上述した光学素子を有する提案したタイプの表示装置では、小さい個々のチップから構成される同程度の表示装置よりも、要求されるチップ数が大幅に少ない。
以下では、本発明について、複数の例示的な実施形態を使用して図面に基づいてさらに詳しく説明する。部分/部品や構成要素が同じ機能を有する場合、以下の図面それぞれにおいてそれらの説明を繰り返さない。
図1Aは、光学系配置構造の例示的な実施形態を示している。システムキャリア1の上に複数の発光チップ2が配置されており、システムキャリア1は、例えばセラミックから構築することができる。発光チップ2それぞれは、発光ピクセルのグループ21,22,23を備えており、これらのグループそれぞれは、異なる色を放出するように構成されている。したがって、例えば、図1Aにおける発光チップ2は、第1のグループ21のピクセルを備えている。さらなる発光チップ2は、第2のグループ22のピクセルを有し、第3の発光チップ2は、第3のグループ23の対応するピクセルを備えている。一例として、グループ21,22,23のそれぞれのピクセルは、赤色、緑色、および青色を放出することができる。この例示的な実施形態においては、第1のグループ21、第2のグループ22、および第3のグループ23を有する3種類の発光チップが、横方向に互いに隣り合うように配置されており、第1のユニットセルE1を形成している。
システムキャリア1とピクセル発光チップ2は、モノリシックな構成要素とすることができる。これに代えて、システムキャリアを個別に製造した後、システムキャリアに個々のチップを取り付けることができる。電気的配線と、設計の細部と、関連する要素(例えば接着剤、はんだ、はんだパッド、ボンディングワイヤなど)は、図面には示していない。個々のチップのピクセルは、一般には50μmのオーダーの直径Wpを有し、間隔が20〜30μmのピクセルグリッドに配置されている。チップは、1000μmのオーダーの辺長Λcを有する。
発光方向における発光チップの下流には、マイクロレンズアレイ3、それに続くプリズムアレイ4、さらなるプリズムアレイ5、さらなるマイクロレンズアレイ6が配置されている。これらの光学要素は、複数の異なるグループのピクセルによって放出された光をコリメートして導くための光学素子を形成している。これに代えて、またはこれに加えて、マイクロレンズもしくはプリズムまたはその両方の代わりに、格子、ホログラフィック素子、フレネルレンズ、およびバイナリ回折素子を利用することもできる。さらには、取り出し面7(評価面(evaluation plane)とも称する)を示してあり、取り出し面7は、後述するように、ピクセル単位で再配置された発光面を有する新しい光源に相当する。
光学素子のさらなる詳細な要素は図1Aには示していない。このような要素としては、一例として、光チャネルを分離するための分離手段(stop)、例えば評価面7におけるさらなる分離手段、機械的調整要素(スペーサ、調整マークなど)が挙げられる。
本光学系配置構造(図1Aにはグループ21,22,23を有する3つのピクセル発光チップを含むセクションを示してある)の動作時、第1のグループ21のピクセル、第2のグループ22のピクセル、および第3のグループ23のピクセルが、それぞれ、自身の発光スペクトルに従って放出する。一例として、この例示的な実施形態においては、第1のグループ21のピクセルが赤色光を放出し、第2のグループ22のピクセルが緑色光を放出し、第3のグループ23のピクセルが青色光を放出する。個々のピクセルに追加の光学素子(例えばレンズ)を設けることができるが、個々のピクセルは一般的には発散的に放出する。
個々のビームそれぞれは、個々のピクセルの下流に配置されている、マイクロレンズアレイ3のうちの対応するマイクロレンズ3に入射する。これらのマイクロレンズ3は、個々のピクセルそれぞれによって発散的に放出された光をコリメートする。次いで、個々の光ビームは、コリメートされた(好ましくは平行な)状態で、下流に配置されているプリズムアレイ4に入射し、コリメート光は、この素子によって所定の角度だけ向きが変化する。それぞれの角度は、ピクセルごとに異なることができる。しかしながら、これらの角度の選択は、向きが変わったそれぞれの光ビームが第2のプリズムアレイ5に入射し、第2のプリズムアレイ5においてさらに向きが変わってアレイ5の法線に再び平行になるように、行う。さらに、第1のプリズムアレイ4および第2のプリズムアレイ5によって向きが変わった光ビームを集光して、下流に配置されている取り出し面7にフォーカスすることができるような位置に、第2のマイクロレンズアレイ6が配置されている。この目的のため、第2のマイクロレンズアレイ6における個々のレンズの姿勢は、それまでにプリズムアレイ4,5によって向きが変わった光ビームの角度に適合するようにされている。
したがって、図面に点線によって示したように、取り出し面7における第2のユニットセルE2において、3つの色が、再配置されたピクセル21’,22’,23’としてそれぞれ互いに隣り合うように、発光チップのピクセルによって放出された光ビームがマイクロレンズアレイ3,6およびプリズムアレイ4,5によって再配置される。言い換えれば、光学素子によって引き起こされる再配置によって、光学系配置構造の解像度を高めることができる。
図1には、本光学系配置構造のうち、3つの異なる発光チップを備えたセクションのみを示してある。図示したセクションの左端および右端には、上に説明した原理による対応するさらなる発光チップがそれぞれ隣接している。さらには、この図に示した直線状の配置構造に、第2の次元におけるさらなる配置構造を加えることも可能であり、結果として、平面状の2次元光学素子となる。
図1Bは、光学系配置構造のさらなる例示的な実施形態を示している。この図に示した光学系配置構造は、図1Aに示した配置構造をベースとしているが、異なる点として、第1のマイクロレンズアレイ3および第1のプリズムアレイ4、または第2のプリズムアレイ5および第2のマイクロレンズアレイ6が、それぞれ統合的に(例えばモノリシック構成要素として)具体化されている。
図1Cは、提案した原理による光学系配置構造のさらなる例示的な実施形態を示している。この配置構造も、図1Aに示した配置構造をベースとしている。この配置構造では、光学素子を形成する構成要素(すなわち第1および第2のマイクロレンズアレイ3,6と第1および第2のプリズムアレイ4,5)が、モノリシック構成要素によって互いに統合されている。
図2は、本光学系配置構造のさらなる例示的な実施形態を示している。この図に示した配置構造は、正方形パターンを形成している4つの発光チップから構成される第1の正方形ユニットセルE1を有する2次元の平面状配置構造である。この場合、2種類の類似する発光チップが設けられている。この配置構造においては、発光ピクセルの第1のグループ21、第2のグループ22、および第3のグループ23それぞれに対して少なくとも1つの発光チップが設けられている。第1のグループ21のピクセルは例えば赤色光を放出し、第2のグループ22のピクセルは例えば緑色光を放出し、第3のグループ23のピクセルは例えば青色光を放出する。
図1A〜図1Cに概略的に示したように、類似する方法において、対応する光学素子が下流(発光チップの上)に配置されており、これらの光学素子それぞれは、第1および第2のマイクロレンズアレイと、第1および第2のプリズムアレイとを備えている。この場合、ピクセルによって放出される光が第1のユニットセルE1から放出されて第2のユニットセルE2に入射し、隣り合うピクセルそれぞれが異なる色を含み、したがって、より高い解像度が得られるように、光学素子が設定されている。図には、光学素子の結果としての再配置を、白色の矢印によって示してある。
マイクロレンズアレイ3,6およびプリズムアレイ4,5の具体化は、図1A〜図1Cによる具体化に似ている。図1A〜図1Cによる具体化では、個々のピクセルによって放出された光をコリメートし、一方向に沿って導く。原理的には、2次元の配置構造の場合、この原理を行および列に適用することが可能である。しかしながら、発光チップの行および列の間でも光が再配置されるように、マイクロレンズアレイ3,6およびプリズムアレイ4,5が構成されているならば、有利であり得る。この場合の利点として、特に、1つのピクセルからの光の向きをわずかに変えるのみでよい。
マイクロレンズの直径は、その光学特性が実質的に屈折性であるように、50μm以上であることが好ましい。プリズムアレイによる角度の変化は、小さい、例えば30゜未満、好ましくは15゜未満、特に好ましくは10゜未満であることが有利である。これは、チップにおけるピクセルによって放出される光が、上面視において取り出し面7における隣接するピクセルに進むように向きが変わる場合である。
図示した光学系配置構造では、ピクセルのグループ21,22,23を有する結果としての第2のユニットセルE2が、チップ自体の配置によって定義される第1のユニットセルE1よりも小さいように、発光チップ(例えばLEDチップ)によって放出された光が再配置される。図2において、ピクセルの第2のユニットセルE2の辺長は、チップの第1のユニットセルE1の辺長の1/4である。結果として、直接発光型RGBディスプレイの設計上の利点が得られる。現実的な数値は、一例として、チップの辺長Λcが500μmであり、ピクセルの辺長または格子寸法Λpが100μmである。したがって、例えば以下の関係(式(1),(2))が成り立つ。
格子定数(チップ)/格子定数(ピクセル)=(Λc/Λp)=5・・・(1)
チップ面積/ピクセル面積=(Λc/Λp)2=25・・・(2)
チップ面積/ピクセル面積=(Λc/Λp)2=25・・・(2)
特定の解像度において(例えばHDTVの場合)、ピクセルチップから構成され、説明した光学系配置構造を有するLEDダイレクトディスプレイでは、小さい個々のチップから構成されるLEDダイレクトディスプレイと比較して、必要なチップ数が1/25である。
ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの例示的な実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、特許請求項における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が特許請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。
本特許出願は、独国特許出願第102013104046.2号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本明細書に組み込まれている。
Claims (17)
- 光学系配置構造であって、
− キャリア(1)の上の多数の発光チップ(2)であって、第1の発光チップそれぞれが第1のグループ(21)の複数のピクセルを有し、第2の発光チップそれぞれが第2のグループ(22)の複数のピクセルを有し、前記第1の発光チップの1つと、前記第2の発光チップの1つとが、前記キャリア(1)の上に2次元的に第1のユニットセル(E1)において配置されている、前記多数の発光チップ(2)と、
− 発光方向において前記発光チップ(2)の下流に配置されている光学素子であって、少なくとも1つの第2のユニットセル(E2)が第1のユニットセル(E1)の領域よりも小さい領域を有するように、前記第1のグループ(21)のピクセルおよび前記第2のグループ(22)のピクセルによって放出された光を、取り出し面(7)における第2のユニットセル(E2)において組み合わせるように、構成されている、前記光学素子と、
を備えている、光学系配置構造。 - − 第3の発光チップが、前記キャリア(1)の上に2次元的に配置されており、それぞれが第3のグループ(23)のピクセルを有し、
− 前記第1のユニットセル(E1)それぞれが、前記第1の発光チップの1つと、前記第2の発光チップの1つと、前記第3の発光チップの1つとを備えており、
− 少なくとも1つの第2のユニットセル(E2)が、第1のユニットセル(E1)の領域よりも小さい領域を有するように、取り出し面(7)における第2のユニットセル(E2)において、前記第1のグループ(21)のピクセル、前記第2のグループ(22)のピクセル、および前記第3のグループ(23)のピクセルによって放出された光を組み合わせるように、前記光学素子が構成されている、
請求項1に記載の光学系配置構造。 - 前記第1の発光チップと、前記第2の発光チップと、前記第3の発光チップが、対ごとに異なる色を有する光を放出する、
請求項1または請求項2のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記第2のユニットセル(E2)のそれぞれ1つが、前記第1のユニットセル(E1)のそれぞれ1つの領域より小さい領域を有する、
請求項1から請求項3のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 第1の発光チップと、第2の発光チップと、第3の発光チップとが、前記キャリア(1)の上に横方向に互いに隣り合うように、または行列状に互いに隣り合うように、配置されている、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の光学系配置構造。 - − 少なくとも第4の発光チップが、前記キャリア上に2次元的に配置されており、それぞれが、少なくとも1つの第4のグループ(21,22,23)のピクセルを有し、
− 前記第1のユニットセル(E1)それぞれが、前記第1の発光チップの1つと、前記第2の発光チップの1つと、前記第3の発光チップの1つと、前記少なくとも第4の発光チップの1つと、を備えており、
− 少なくとも1つの第2のユニットセル(E2)が、前記第1のユニットセル(E1)の領域よりも小さい領域を有するように、取り出し面(7)における第2のユニットセル(E2)において、前記第1のグループ(21)のピクセル、前記第2のグループ(22)のピクセル、前記第3のグループ(23)のピクセル、および前記少なくとも第4のグループのピクセルによって放出された光を組み合わせるように、前記光学素子が構成されている、
請求項1から請求項5のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記第1のユニットセル(E1)の少なくとも1つが、複数の第1の発光チップおよび複数の第2の発光チップを有する、
請求項1から請求項6のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記キャリア(1)が、平面または湾曲面を有する、
請求項1から請求項7のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記第1の発光チップ、前記第2の発光チップ、前記第3の発光チップ、および/または前記第4の発光チップが、前記キャリア(1)の上に規則的な2次元格子状に配置されている、
請求項1から請求項8のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記規則的な2次元格子が、正方パターン、六角パターン、または準結晶パターンを有する、
請求項1から請求項9のいずれかに記載の光学系配置構造。 - − 前記キャリア(1)と、前記発光チップと、前記光学素子とを備えた複合要素が統合されている、または、
− 前記キャリア(1)に前記発光チップおよび前記光学素子が取り付けられている、
請求項1から請求項10のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記光学素子がマイクロレンズのアレイ(3,6)を有し、前記マイクロレンズのアレイ(3,6)が、前記発光チップによって放出された光の発散放射ビームを平行にする、もしくは、平行な放射ビームを組み合わせる、またはその両方を行うように構成されている、
請求項1から請求項11のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記光学素子がプリズムのアレイ(4,5)を有し、前記プリズムのアレイ(4,5)が、光を導く、もしくは、光の向きを変える、またはその両方を行うように構成されている、
請求項1から請求項12のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記マイクロレンズのアレイ(3,6)と前記プリズムのアレイ(4,5)が、
− 前記光学素子においてモノリシックに統合されている、または、
− 個別の要素として具体化されている、
請求項1から請求項13のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 少なくとも1つの発光チップの前記ピクセルが個別に作動可能であり、前記ピクセルそれぞれによって放出される光の強さが調整可能である、
請求項1から請求項14のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 前記ピクセルが、カラーモデル規格であるRGBカラーモデルまたはRGBYカラーモデルに従って光を放出するように構成されている、
請求項1から請求項15のいずれかに記載の光学系配置構造。 - 表示装置であって、
− 請求項1から請求項16のいずれかに記載の光学系配置構造と、
− 前記ピクセルを作動させる制御ユニットと、
を備えている、表示装置。
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