JP2020502783A - マルチカラーマイクロｌｅｄアレイ光源 - Google Patents

マルチカラーマイクロｌｅｄアレイ光源 Download PDF

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Abstract

さまざまな実施形態は、異なる色の十分に重なり合った光ビームを可能にするマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源を含む。マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源は、熱伝導性基板と、熱伝導性基板上に集積された異なる色のマイクロＬＥＤの複数のアレイとを含む。各アレイ内のマイクロＬＥＤは、それらが全て一斉に駆動されることが可能であるように電気的に接続される。マルチカラーアレイ光源は、マイクロＬＥＤのアレイに電気的に結合され、それを駆動する、コントローラも含む。コントローラはマイクロＬＥＤを、光源として使用するのに適した空間波長分布および角度分布をもつ出力光分布を発生させる方式で駆動する。

Description

本発明は一般に、例えば平行フルカラー照射を必要とする用途に使用されてよい、モノリシックに集積されたマイクロＬＥＤアレイに基づくマルチカラー光源に関する。より空間的に均一な色混合を達成するために、異なる色のマイクロＬＥＤアレイが交互配置方式で配置される。
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１６年１１月１０日に出願された米国特許仮出願第６２／４２０，２６０号、「Ｆｕｌｌ ｃｏｌｏｒ ＬＥＤ ａｒｒａｙ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ」、および２０１７年９月１２日に出願された米国特許出願第１５／７０１，４５０号、「Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｌｏｒ Ｍｉｃｒｏ−ＬＥＤ Ａｒｒａｙ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ」の優先権を主張する。前述したもの全ての主題は、参照によってそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、表示灯、交通信号灯、ＬＣＤ背面照明、および全般照明など、さまざまな照明用途に広く使用されている。フルカラー調整可能光を必要とする照明用途については、個別の赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、および青色ＬＥＤチップからなる集積ＲＧＢ光モジュールが、市場によって広く採用されてきた。
典型的には、赤色、緑色、および青色ＬＥＤチップの各々は、それ自体のコントローラによって独立に制御される。赤色、緑色、および青色光の量を、赤色、緑色、および青色ＬＥＤに注入される電流の制御を通じて調整することによって、出力光色がチューニングされる。しかし、ステージ照明、環境照明、および色調整可能な自動車ヘッドライトなど、一定の用途は、平行ビーム照射も必要とする。従来のＲＧＢ光モジュールにおいては、個別の赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、および青色ＬＥＤチップが、並んで置かれている。そのような配置は、チップサイズよりも大きな、赤色源と、緑色源と、青色源との間の中心間のずれを生み出す。このＲＧＢ光源が、共用の投影光学系を使用して投影されるとき、投影される赤色、緑色、および青色ビームの中心ずれは、投影光学系によって拡大されて、特に投影されたパターンの縁部に望ましくないカラーアーチファクトをもたらすという結果となる。加えて、個別の赤色、緑色、および青色ＬＥＤチップを使用する従来の投影システムにおいては、異なるチップからの光の十分に重なり合った組合せを確実なものにするために、複数のコリメーティングレンズやダイクロイックミラーなどの追加の光学部品が必要とされることがある。このことが、システム全体に複雑さおよびより大きなサイズを導入する。
したがって、モノリシックに集積された構成およびより空間的に均一な色混合を特徴とするマルチカラー光源が、広く求められている。
米国特許出願第１５／１３５，２１７号明細書 米国特許出願第１５／２６９，９５４号明細書
一例として、集積ＲＧＢ光モジュールは、熱伝導性基板上に交互配置された、赤色マイクロＬＥＤアレイ、緑色マイクロＬＥＤアレイ、および青色マイクロＬＥＤアレイを含む。従来のＲＧＢ光モジュール内の寸法Ｌをもつ個別の赤色、緑色、および青色ＬＥＤチップを、寸法Ｌ／Ｎをもつ赤色、緑色、および青色マイクロＬＥＤの交互配置されたＮ×Ｎアレイと置き換えることによって、赤色、緑色、および青色光源の中心ずれがＮ分の１に低減される。これは、従来のＲＧＢ光モジュールに見られるカラーアーチファクトを著しく低減させることができる。
一態様においては、マルチカラーＬＥＤアレイ光源が、熱伝導性基板と、熱伝導性基板上にモノリシックに集積された異なる色のマイクロＬＥＤのアレイとを含む。異なる色を放出するマイクロＬＥＤは、同一基板上に集積されて、単一チップを成す。マイクロＬＥＤは、例えばフルカラー平行ビーム照射光源として使用するのに適した空間分布、カラーチューナビリティ、および角度分布をもつ出力光を発生させる方式で配置される。
一実施形態では、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源が、マイクロＬＥＤの複数のアレイを含み、１つのアレイ内の全てのマイクロＬＥＤが同一色を有する。各アレイ内のマイクロＬＥＤは、例えば直列または並列に互いに電気的に接続され、それによって、それらは個々に制御されるのではなく一斉に駆動されることが可能である。一例として、ＲＧＢ光源は、赤色マイクロＬＥＤのアレイ、緑色マイクロＬＥＤのアレイ、および青色マイクロＬＥＤのアレイを含む。マイクロＬＥＤのアレイは、異なる色のＬＥＤが交互配置されるように物理的に配置される。一例として、マイクロＬＥＤは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、および青色ＬＥＤの交互配置されたストライプとして配置されてよい。別の例として、マイクロＬＥＤは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、および青色ＬＥＤの交互配置された画素を成すように配置されてよい。
マイクロＬＥＤアレイ光源から放出される光は、オンチップでもよくオフチップでもよいコントローラによって変調される。例えば、出力光の色は、何らかの色のＬＥＤを他の色のＬＥＤよりも強く駆動することによって、または異なる色のＬＥＤを異なる時間量にわたってオンにすることによって、制御されてよい。加えて、非結像光学系を含む屈折および反射光学系などの光学構造が、発生された光の空間分布および角度分布を成形するために使用されてよい。
基板上に取り付けられた個別の大きなサイズＬＥＤチップを使用する従来の光源と比較して、集積マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源は、より均一な色混合、ならびに異なる色の出力光のより良好な調整および位置整合を可能にする。加えて、個別のＬＥＤチップを位置整合するのに必要とされる追加の光学部品が必要にはならず、そのことが、光源およびこれらの光源を使用する対応するシステムの、複雑さおよびサイズを低減させる。
マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源は、多様な用途に使用されることが可能である。いくつかの例は、ステージ照明、環境照明、および色調整可能な自動車ヘッドライトなど、大きなサイズの光源が関与する高出力用途を含む。別の例として、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源は、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）光エンジン用の光源として使用されることが可能である。
他の態様は、構成要素、デバイス、システム、改善点、方法、プロセス、用途、および上記のいずれかに関連付けられる他の技術を含む。
本開示の実施形態は、他の利点および特徴を有し、それらは、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を添付の図面と併せ読めば、より容易に明らかとなろう。
一実施形態による、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源を含む光エンジンを示す図である。 一実施形態による、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、および青色ＬＥＤの交互配置されたストライプを備えた例示的マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源の上面図である。 一実施形態による、一物理的配置にある赤色マイクロＬＥＤ、緑色マイクロＬＥＤ、および青色マイクロＬＥＤの交互配置された画素を備えた例示的マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源の上面図である。 一実施形態による、別の物理的配置にある赤色マイクロＬＥＤ、緑色マイクロＬＥＤ、および青色マイクロＬＥＤの交互配置された画素を備えた例示的マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源の上面図である。 一実施形態による、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源をパッシブコリメーション光学系とともに利用する、例示的光モジュールの図である。 一実施形態による、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源をパッシブコリメーション光学系とともに利用する、例示的光モジュールの図である。 一実施形態による、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源をパッシブコリメーション光学系とともに利用する、例示的光モジュールの図である。 一実施形態による、パッシブコリメーション光学系を利用する別の例示的光モジュールの図である。 一実施形態による、パッシブコリメーション光学系を利用する別の例示的光モジュールの図である。 一実施形態による、パッシブコリメーション光学系を利用する別の例示的光モジュールの図である。 さまざまな実施形態による、パッシブコリメーション光学系を利用するさらに追加の例示的光モジュールの断面図である。 さまざまな実施形態による、パッシブコリメーション光学系を利用するさらに追加の例示的光モジュールの別の断面図である。 一実施形態による、複数のコリメーション構造を利用するさらに別の例示的光モジュールの断面図である。 一実施形態による、さらに別の例示的光モジュールの図である。 一実施形態による、さらに別の例示的光モジュールの図である。 さまざまな実施形態による、さらに追加の例示的光モジュールの断面図である。 さまざまな実施形態による、さらに追加の例示的光モジュールの別の断面図である。 さまざまな実施形態による、さらに追加の例示的光モジュールの別の断面図である。 一実施形態による、さらに別の例示的光モジュールの断面図である。 一実施形態による、複数のコリメーション構造を利用するさらに別の例示的光モジュールの断面図である。
これらの図は、単に例示を目的としてさまざまな実施形態を描いている。本明細書に例示された構造および方法の代替的実施形態が、本明細書で説明された原理から逸脱することなく用いられてよいことを、当業者なら以下の論考から容易に認識するであろう。
これらの図および以下の説明は、単なる例示として、好ましい実施形態に関する。以下の論考から、本明細書に開示される構造および方法の代替的実施形態が、特許請求されるものの原理から逸脱することなく用いられてよい実行可能な代替形態として容易に認識されるであろうことに、留意されるべきである。
図１は、一実施形態による、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源１１０を含む光エンジン１００を示す。光エンジン１００は、光源１１０からの出力光を変調させるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）１４０、光源１１０からの光をＤＭＤ１４０に結合させる光学系１２０、および変調された光を投影してエンドユーザに表示する投影レンズ１５０も含む。一例として、ＬＥＤアレイ光源１１０は、赤色マイクロＬＥＤのアレイ、緑色マイクロＬＥＤのアレイ、および青色マイクロＬＥＤのアレイを使用する、ＲＧＢ光源である。別の例として、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源１１０は、赤色マイクロＬＥＤのアレイ、緑色マイクロＬＥＤのアレイ、青色マイクロＬＥＤのアレイ、および白色マイクロＬＥＤのアレイを使用する、ＲＧＢＷ光源である。各色について個別の大きなＬＥＤチップを使用する従来の光エンジンに比べて、光エンジン１００全体のフォームファクタは、複数のＬＥＤチップおよび対応する光学部品を集積マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源１１０と置き換えることによって、著しく低減されることが可能である。図１の光エンジンは、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源の用途の一例であるが、そのような源は、他の用途に使用されることも可能である。
図２Ａは、一実施形態による、赤色ＬＥＤ２２０Ｒ、緑色ＬＥＤ２２０Ｇ、および青色ＬＥＤ２２０Ｂの交互配置されたストライプを備えた例示的マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源２００の上面図である。図２Ａにおいては、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源２００は、基板２０５と、基板上にモノリシックに集積された異なる色のマイクロＬＥＤ２２０の複数のアレイと、マイクロＬＥＤのアレイを駆動するように電気的に結合されたコントローラ２２５とを含む。この例においては、コントローラ２２５はオンチップである（すなわち同一チップ上にＬＥＤと集積されている）が、それはオフチップとすることもできる。基板２０５は、熱伝導性基板であり、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ケイ素、アルミニウム、銅、およびセラミックなどの材料から作製されることが可能である。一実施形態では、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源２００内のＬＥＤは、好ましくは１００ミクロンよりも大きくないサイズをもつマイクロＬＥＤである。図２Ａに示される例においては、ＬＥＤの各色について３本のストライプがあり、異なる色をもつＬＥＤのストライプが互いに交互配置されている。左から始まって右に至るＬＥＤのストライプは、各色について同数のストライプで、赤色、緑色、青色、赤色、緑色、青色などの順番になっている。代替的実施形態においては、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源は、各光色について異なる数のストライプを有することができ、またストライプは、異なる順序で配置されることが可能である。
製造に関して、カラーＬＥＤは、好ましくは、エピタキシャル層を使用して製造される。一手法においては、異なる色のマイクロＬＥＤ２２０のアレイが熱伝導性基板２０５上に、エピタキシャル層をホスト基板から熱伝導性基板に金−金、金−インジウム、または金−スズ共晶接合を介して移行（ｔｒａｎｓｆｅｒ）させることによって、モノリシックに集積される。さらなる製造技法については、特許文献１、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ」、および特許文献２、「Ｍａｋｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ ａｎｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｒｅｍｏｖａｌ」に説明されており、そのどちらも、参照によってそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
コントローラ２２５は、ＬＥＤ２２０Ｒ、２２０Ｇ、および２２０Ｂを駆動する。図２Ａにおいては、コントローラ２２５は、ＬＥＤのアレイを囲む破線の境界に接続されたものとして示されている。便宜上、個々のＬＥＤへの接続は示されていない。一実施形態では、コントローラ２２５は、全ての同一色のＬＥＤを一斉に駆動する。例えば、コントローラ２２５は、赤色ＬＥＤ２２０Ｒを一斉に駆動し、緑色ＬＥＤ２２０Ｇを一斉に駆動し、青色ＬＥＤ２２０Ｂを一斉に駆動する。これは、全ての同一色のＬＥＤを単一アレイとして電気的に接続し（例えばそれら全てを並列または直列に接続し）、次いでその単一アレイを駆動することによって行われることが可能である。あるいは、同一色のＬＥＤが複数のアレイとして接続されるが、全てのアレイが一斉に駆動されることも可能である。例えば、コントローラ２２５は、赤色ＬＥＤ２２０Ｒを一斉に駆動し、緑色ＬＥＤ２２０Ｇを一斉に駆動し、青色ＬＥＤ２２０Ｂを一斉に駆動する。しかし、異なる色が互いに別々に駆動されることが可能である。このようにして、相対的カラーコンテントがコントローラ２２５によって調整されることが可能である。一手法においては、コントローラ２２５はこれを、異なる色を駆動するのに使用される電流を調整することによって達成する。あるいは、コントローラ２２５は、時間多重された手法を使用してもよい。場合によっては、異なる色のＬＥＤを含む、全てのＬＥＤを一斉に駆動することが望ましいことがある。
図２Ｂは、一実施形態による、一物理的配置にある赤色マイクロＬＥＤ２５０Ｒ、緑色マイクロＬＥＤ２５０Ｇ、および青色マイクロＬＥＤ２５０Ｂの交互配置された画素を備えた例示的マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源２４０の上面図である。図２Ａに示されている光源２００と同様に、図２Ｂにおける光源２４０は、基板２４５と、基板上に集積された異なる色のマイクロＬＥＤ２５０Ｒ、２５０Ｇ、および２５０Ｂのアレイと、マイクロＬＥＤのアレイを駆動するように電気的に結合されたコントローラ２５５とを含む。基板２４５は、熱伝導性基板である。光源２４０においては、各マイクロＬＥＤが正方画素に対応する。赤色ＬＥＤ２５０Ｒ、緑色ＬＥＤ２５０Ｇ、および青色ＬＥＤ２５０Ｂの交互配置された画素が、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源２４０を成す。ＬＥＤ２５０Ｒ、２５０Ｇ、および２５０Ｂのこの物理的配置においては、ＬＥＤアレイは、各列（ｃｏｌｕｍｎ）に同一色の個々の画素がある９列の画素を有し、異なる色のＬＥＤを有する列が互いに交互配置される。図２Ｂは、交互配置される画素の物理的配置の一例を示すにすぎない。代替的実施形態においては、マイクロＬＥＤアレイは、異なる物理的配置、例えば、個々のマイクロＬＥＤを備えた異なる数の列または行（ｒｏｗ）を有することができる。
図２Ｃは、一実施形態による、別の物理的配置にある赤色マイクロＬＥＤ２８０Ｒ、緑色マイクロＬＥＤ２８０Ｇ、および青色マイクロＬＥＤ２８０Ｂの交互配置された画素を備えた例示的マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源２７０の上面図である。光源２７０は、熱伝導性基板２７５と、基板上に集積された異なる色のマイクロＬＥＤ２８０Ｒ、２８０Ｇ、および２８０Ｂのアレイと、マイクロＬＥＤのアレイを駆動するように電気的に結合されたコントローラ２８５とを含む。この例においては、ＬＥＤは、破線の境界によって示されるように、同一色のＬＥＤの斜線を成すように配置される。
図３ないし図１１は、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源を、発生された光の角度分布を改善するための追加の光学系とともに利用する、光モジュールのさまざまな例を示す。これらの例においては、代表的なゴールは、平行光照射野の空間的均一性を損なわずに出力光を平行化すること（すなわち出力光の角度発散を低減させること）である。一手法においては、マイクロＬＥＤによって発生された、中心発散円錐内にある（すなわち光軸に平行に、または光軸から一定度数以内で伝播している）光が、コリメーティングレンズなど、１セットの光学系によって平行化される。マイクロＬＥＤによってより斜角で発生された他の光は、リフレクタなど、別セットの光学系によって平行化される。
図３Ａないし図３Ｃは、一実施形態による、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源をパッシブコリメーション光学系とともに利用する、例示的光モジュールのさまざまな図である。図３Ａは、プロジェクタ、ステージライト、またはヘッドランプに使用されることの可能なマルチカラー光源の例である、光モジュール３００の斜視図である。図３Ｂは、光モジュール３００の上面図であり、ヒートシンク３３０上に取り付けられ、反射カップ３２０によって取り囲まれたマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源３１０を示す。図３Ｃは、光モジュール３００の断面図であり、ヒートシンク３３０、ヒートシンク上に取り付けられた光源３１０、および光源を取り囲む反射カップ３２０を示す。ヒートシンク３３０は、光源３１０を位置付けるための機械的基部、ならびに熱を除去するための熱経路として働く。
図３Ｃに示すように、反射カップ３２０は、光源３１０の上方の空気空間を取り囲む反射内面を有する。この例においては、反射カップ３２０は円錐台形状である。反射カップ３２０は、光源３１０からの出力光の一部を反射し、したがって、光モジュール３００によって発生される光の全体的な平行化を高める、パッシブ光学系である。すでに適正に平行化されている（光ビーム３４０Ａなどの）光ビームは、反射カップ３２０にぶつからず、パッシブリフレクタ３２０によって方向変更されることなく光モジュール３００から出射する。対照的に、十分に平行化されていない（光ビーム３４０Ｂなどの）光ビームは、リフレクタ３２０にぶつかり、より平行な方向に方向変更されることになる。図３Ｃにおいては、光ビーム３４０Ｂの発散角度は、角度３３２から角度３３４に低減される。光モジュール３００によって出力される集合光の発散は低減される。
図４Ａないし図４Ｃは、一実施形態による、パッシブコリメーション光学系を利用する別の例示的光モジュールのさまざまな図である。図４Ａは、光モジュール用の屈折コリメーション光学系の斜視図を示す。図４Ｂおよび図４Ｃは、この屈折光学系を使用する光モジュールの上面図および断面図を示す。この光モジュールは、屈折光学系４２０によって取り囲まれたマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源４１０を含む。それは、ヒートシンク４３０も含み、光源４１０がヒートシンク上に位置付けられている。この設計においては、屈折構造４２０は、光源４１０の周りの空気空間を使用するのではなく中実である。屈折構造４２０の側壁が、光源４１０からの出力光の部分を反射する。例えば、光ビーム４４０Ｂは、屈折光学系４２０の側面によって反射され、その発散角度は、角度４３２から角度４３４に低減される。反射は、全反射のためとすることができ、またはそれは、側壁が反射材料で被覆されているためとすることができる。
図５Ａないし図５Ｂは、さまざまな実施形態による、パッシブコリメーション光学系５２０、５７０を利用するさらに追加の例示的光モジュール５００、５５０の断面図である。これらの設計は、図３Ａないし図３Ｃおよび図４Ａないし図４Ｃにおける設計に類似している。それらはどちらもそれぞれ、ヒートシンク５４０上に取り付けられたマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源５１０、ヒートシンク５９０上に取り付けられたマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源５６０を含む。それぞれ、パッシブコリメーション光学系５２０、５７０も有する。しかし、コリメーション光学系５２０、５７０の形状が異なる。光学系５２０、５７０の形状は、（線分ではなく）曲線を中心軸の周りで回転させることによって生成される。一設計においては、これらは、相対的に小さな光源５１０、５６０によって発生される広く発散する光を、非結像光学系の開口全体から出射する（より狭い発散角度をもつ）最大限に平行化された光に効率良く変換する、非結像光学系とすることができる。この設計においては、光ビームは、リフレクタ５２０、５７０の側面に複数回反射してよい。
図６ないし図１１は、図５Ａに示される光モジュールに対するさらなる機能強化を示す。図６においては、光モジュールは、光源５１０によって発生された中心光ビーム６３０を平行化するための追加のコリメーション構造６２０を含む。光源５１０は、追加のコリメーション構造６２０内に埋められる。
図７Ａないし図７Ｂは、一実施形態による、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源およびパッシブコリメーション光学系を利用する別の例示的光モジュールのさまざまな図である。図７Ａは断面図であり、図７Ｂは上面図である。図７においては、光モジュールは、懸架された光学系７２０、例えば単一レンズを備え、それが、破線によって示される中心光ビーム７３０を平行化する。レンズ７２０は、レンズ７２０の光軸が光源５１０の中心を通じて通過した状態で、光源５１０の一焦点距離上方に置かれる。実線によって示される、光源５１０からの斜角ビームを平行化するために、反射カップが利用される。上面図は、レンズ７２０を光源５１０の上で懸架された状態に保つためのレンズホルダ７５０の一例を示す。図７は一例を示すにすぎない。代替的実施形態においては、他のタイプの追加の合焦構造が、中心光ビームを平行化するために光源５１０の上方に位置付けられてよい。
図８Ａないし図８Ｃは、より複雑な構造８２０、８２２、８２４を示す。これらの設計は、中心光ビーム８３０の平行化を助ける。図８Ａにおいては、光源５１０は埋められているが、構造の上面８２０が、図６の光モジュールに比べて光源から隔置されている。図８Ａにおいては、この間隔は、構造８２０をより高くすることによって得られている。図８Ｂにおいては、光源５１０は埋められていない。構造８２２の裏面が、光源５１０用の空間を作るために中空にされている。
図８Ｃにおいては、構造８２４が複合上面を有する。この中心屈折光学系は、半径Ｒ１をもつ球面８２７が半径Ｒ２をもつ半球面８２８の上部に重ね合わされ、Ｒ１＜Ｒ２＜２＊Ｒ１である、自由形状面設計を特徴とする。この自由面中心光学系は、半径Ｒ２をもつ下部半球８２８の中心が、半径Ｒ１をもつ球面８２７によって形成されるレンズの焦点と一致するように設計される。光源５１０は、その中心がこの焦点と一致するように位置付けられる。この設計においては、面８２７に衝突する光線は、光源５１０がその面の焦点に位置するので、平行化される。面８２８に衝突する光線は、光源５１０がその面の中心に位置するので、変更されない。これらの斜めのビームはその後、周囲の反射光学系、すなわち反射カップによって平行化される。図８におけるマルチカラーマイクロＬＥＤ光源の光抽出効率は、高屈折率媒質への埋め込みのため、高められる。
図９は、反射光学系９２０を使用する手法を示す。この場合、反射面９２０Ａないし９２０Ｂが、中心光ビーム９３０を平行化する。図１０においては、マイクロレンズアレイ１０４０が、中心光ビーム１１３０を平行化するために使用される。
詳細な説明は、多くの具体的内容を含んでいるが、これらは本発明の範囲を限定するものと解釈されるのではなく、単にさまざまな例を例示するものと解釈されるべきである。本開示の範囲は、上で詳細に論考されていない他の実施形態を含むと理解されるべきである。当業者に明らかとなるさまざまな他の修正、変更、および変形が、添付の特許請求の範囲に記載の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された方法および装置の構成、動作、および細部において加えられてよい。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的等価物によって決定されるべきである。
図３ないし図１０は、マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源を、発生された光の角度分布を改善するための追加の光学系とともに利用する、光モジュールのさまざまな例を示す。これらの例においては、代表的なゴールは、平行光照射野の空間的均一性を損なわずに出力光を平行化すること（すなわち出力光の角度発散を低減させること）である。一手法においては、マイクロＬＥＤによって発生された、中心発散円錐内にある（すなわち光軸に平行に、または光軸から一定度数以内で伝播している）光が、コリメーティングレンズなど、１セットの光学系によって平行化される。マイクロＬＥＤによってより斜角で発生された他の光は、リフレクタなど、別セットの光学系によって平行化される。
図６ないし図１０は、図５Ａに示される光モジュールに対するさらなる機能強化を示す。図６においては、光モジュールは、光源５１０によって発生された中心光ビーム６３０を平行化するための追加のコリメーション構造６２０を含む。光源５１０は、追加のコリメーション構造６２０内に埋められる。
図９は、反射光学系９２０を使用する手法を示す。この場合、反射面９２０Ａないし９２０Ｂが、中心光ビーム９３０を平行化する。図１０においては、マイクロレンズアレイ１０２０が、中心光ビーム１０３０を平行化するために使用される。

Claims (20)

  1. マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源であって、
    熱伝導性基板と、
    前記熱伝導性基板上にモノリシックに集積されたマイクロＬＥＤの複数のアレイであって、全ての前記アレイからの前記マイクロＬＥＤは全体として、交互配置方式で配置された少なくとも２つの異なる色のマイクロＬＥＤを備え、各アレイは、
    全てが同一色である複数のマイクロＬＥＤと、
    前記複数のマイクロＬＥＤ用のドライバ信号を受信するためのドライバ入力と、
    前記複数のマイクロＬＥＤを前記ドライバ入力に接続する電気的接続と
    を備えた、該マイクロＬＥＤの複数のアレイと
    を含み、
    前記複数のマイクロＬＥＤは、前記ドライバ信号によって一斉に駆動されることを特徴とするマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  2. 各マイクロＬＥＤは、１００ミクロンよりも小さな少なくとも１つの横方向寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  3. 各マイクロＬＥＤは、１００ミクロンよりも小さな全ての横方向寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  4. 前記マイクロＬＥＤの複数のアレイは、少なくとも１つの赤色マイクロＬＥＤのアレイと、少なくとも１つの緑色マイクロＬＥＤのアレイと、少なくとも１つの青色マイクロＬＥＤのアレイとを備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  5. 前記マイクロＬＥＤの複数のアレイは、少なくとも１つのアレイ白色マイクロＬＥＤをさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  6. 前記マイクロＬＥＤの複数のアレイは、少なくとも２つのそれぞれ異なる色のマイクロＬＥＤのアレイを含むことを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  7. 各アレイについて、前記アレイ内の全ての前記マイクロＬＥＤは、並列または直列に電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  8. 前記複数の異なる色のマイクロＬＥＤのアレイ用の前記ドライバ信号を生成するコントローラをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  9. 前記コントローラは、各々の異なる色について、全ての前記マイクロＬＥＤを一斉に駆動するが、各異なる色を互いに別々に駆動することを特徴とする請求項８に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  10. 前記コントローラは、全ての異なる色について、全ての前記マイクロＬＥＤを一斉に駆動することを特徴とする請求項８に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  11. 前記マイクロＬＥＤはストライプであり、異なる色のストライプは、１つの横方向寸法に沿って交互配置されることを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  12. 前記マイクロＬＥＤは画素であり、異なる色の画素は、２つの横方向寸法に沿って交互配置されることを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  13. 前記マイクロＬＥＤは、エピタキシャル層、ｎ電極、およびｐ電極を備えかつ成長基板が取り外された薄膜マイクロＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  14. 前記薄膜マイクロＬＥＤは、前記エピタキシャル層をホスト基板から前記熱伝導性基板に共晶接合を介して移行させることによって、前記熱伝導性基板上にモノリシックに集積されることを特徴とする請求項１３に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  15. 前記熱伝導性基板上に集積化されたパッシブコリメーション光学系をさらに含み、前記パッシブコリメーション光学系は、前記ＬＥＤによって生成された出力光の角度発散を低減させることを特徴とする請求項１に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  16. 前記パッシブコリメーション光学系は、
    前記マイクロＬＥＤのアレイによって中心発散円錐の外側に生成された光を平行化するための反射カップと、
    前記マイクロＬＥＤのアレイによって前記中心発散円錐内に生成された光を平行化するために、前記反射カップの内側および前記マイクロＬＥＤのアレイの上方に位置付けられた屈折光学系と
    を含むことを特徴とする請求項１５に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  17. 前記屈折光学系は、前記マイクロＬＥＤのアレイを中心としおよびその一焦点距離上方に位置付けられた屈折レンズを含むことを特徴とする請求項１６に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  18. 前記屈折光学系は、自由形状屈折光学系であることを特徴とする請求項１６に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  19. 前記屈折光学系は、屈折性半球の上部に重ね合わされた屈折レンズを含み、前記屈折レンズの焦点は、前記屈折性半球の中心と一致することを特徴とする請求項１６に記載のマルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源。
  20. マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源であって、
    熱伝導性基板と、
    前記熱伝導性基板上にモノリシックに集積されたマイクロＬＥＤの複数のアレイであって、前記全てのアレイからの前記マイクロＬＥＤは全体として、交互配置方式で配置された少なくとも２つの異なる色のマイクロＬＥＤを備え、各アレイは、
    全て同一色である複数のマイクロＬＥＤと、
    前記複数のマイクロＬＥＤ用のドライバ信号を受信するためのドライバ入力と、
    前記複数のマイクロＬＥＤを前記ドライバ入力に接続する電気的接続と
    を含む、該マイクロＬＥＤの複数のアレイと
    を備え、前記複数のマイクロＬＥＤが前記ドライバ信号によって一斉に駆動される、前記マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源と、
    前記マルチカラーマイクロＬＥＤアレイ光源からの出力光分布を変調させるデジタルマイクロミラーデバイスと、
    前記マルチカラーＬＥＤアレイ光源からの出力光分布を平行化して、前記デジタルマイクロミラーデバイスに至らせる光学系と、
    エンドユーザに表示するために、前記変調された光を投影する投影レンズと
    を備えたことを特徴とする光エンジン。
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