JP2022069533A - Ｌｅｄからの発光をコリメートするためのナノ構造化されたメタマテリアルおよびメタサーフェス - Google Patents

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Abstract

【課題】発光ダイオード(LED)の出力をコリメートするためのシステム、方法、およびデバイスが開示される。【解決手段】システム、方法、およびデバイスは、そこから光が放射される上面を含むＬＥＤ基板、および、放射された光の経路内に配置されたサブ波長散乱アンテナのアレイを含み、サブ波長散乱アンテナのアレイは、デバイスからコリメートされた光出力を提供するために、ＬＥＤが放射した光の散乱の方向を選択するように構成されている。アレイは、ＬＥＤから放射された光の伝搬平面に対して垂直に整列され、かつ、上面に隣接して配置され得る。アレイは、少なくとも部分的に、または完全にＬＥＤ基板内に配置され得る。アレイは、上面から間隔を離して置かれ、かつ、上面に隣接する誘電体スペーサを使用して間隔が達成され得る。アレイは、誘電体スペーサ内に配置され得る。【選択図】 図３

Description

本発明は、光源からの発光をコリメートするための方法およびシステムに関する。そして、より特定的には、発光ダイオード(LED)からの光放射をコリメートするためのナノ構造化されたメタマテリアル（meta-material）およびメタサーフェス（meta-surface）に関する。
この出願は、タイトルが“Nanostructual Meta-Materials and Meta-surfaces To Collimate Light Emission from LEDs”、2017年10月17日に出願された米国仮特許出願第62/573,372号であり、かつ、2018年10月16日に提出された米国特許出願第16/161,875号、および、2018年2月23日に出願された欧州特許出願第18158381.6号について優先権の利益を主張する。これらは、両方とも、引用により、あたかも完全に記載されているかのように組み込まれている。
標準的な発光ダイオード(LED)ダイは、典型的には、発光される波長に関わらず、ランバート角発光パターン（Lambertian angular emission pattern）を有している。所定のLEDアプリケーションにおいては、LEDによって放射される光を実質的にコリメート（collimate）する利点または必要性が存在し得る。例えば、虹彩走査（iris scanning）のために使用される赤外線(IR)LEDから放射される光は、コリメートされる必要がある。コリメートされた光を提供するために使用されるシステムは、遠視野（far-field）においてビームをコリメートするようにLEDに対して結合されたレンズを使用する。典型的なLEDが放射光のランバート角分布を有するので、レンズが使用されるのであり、レンズは、LEDから出力された光をコリメートする。そうしたレンズまたは他のタイプの光学アセンブリは、一般的に、LEDダイとは異なるコンポーネント及び／又はパーツ（part）である。この追加的なパーツは、LEDを所定の位置に保持するパッケージの中へ組み込まれることを要する。しばしば、レンズは、成形されたプラスチックパーツであるが、コリメート光学系（collimating optics）も、また、反射面、または、反射器（reflector）とレンズの両方の組み合わせであってよい。外部レンズアセンブリの使用は、発光アセンブリのサイズを増加させてしまう。例えば、典型的なIR LEDについて、反射器及び／又はプラスチックレンズと一緒のLEDである、パッケージは、典型的に約3mmの高さである。基板を含むLEDダイは、一般的に、わずか数100ミクロンの厚さである。LEDダイの厚さに対するパッケージの厚さの比率は、既存の市販のIR LEDにおいて約10である。IR LEDは、虹彩認識モジュールといった、モジュールのパーツとしてスマートフォンにおいて増々使用されており、そして、スマートフォンは、コンポーネントの密度の増加を伴って、より薄く継続的に作られているので、IR LEDの厚さを低減することが重要である。従って、より薄いプロファイルを有するコリメートされた光を発光するLEDを可能にし、光をコリメートするための外部レンズの必要性を低減し、LEDによって発光される放射プロファイルを狭くし、そして、光を外部光学系に結合することにおける効率を増加させる、ための技術に対する必要性が存在している。
発光ダイオード(LED)の出力をコリメートするためのシステム、方法、およびデバイスが開示される。システム、方法およびデバイスは、そこから光が放射される上面を含むLED基板、および、放射された光の経路内に配置されたサブ波長散乱アンテナのアレイを含み、サブ波長散乱アンテナのアレイは、デバイスからコリメートされた光出力を提供するために、LEDが放射した光の散乱の方向を選択するように構成されている。アレイは、LEDから放射された光の伝搬平面に対して垂直に整列され、かつ、上面に隣接して配置され得る。システム、方法、およびデバイスは、また、その中にアレイが配置される埋め込み媒体を含み得る。アレイは、少なくとも部分的に、または完全にLED基板内に配置され得る。アレイは、上面から間隔を離して置かれ、かつ、上面に隣接する誘電体スペーサを使用して間隔が達成されてよい。アレイは、誘電体スペーサ内に配置され得る。代替的に、アレイは、離散要素（discrete element）であってよい。
システム、方法、および装置は、放射された光の経路内に配置されたサブ波長散乱アンテナの第２アレイを含んでよく、サブ波長散乱アンテナの第２アレイは、デバイスからコリメートされた光出力を提供するために、LEDが放射した光の散乱の方向を選択するように構成されている。アレイおよび第２アレイは、距離を離して置かれている。アレイおよび第２アレイは、同一または異なるアレイであってよい。
添付の図面と共に例示として与えられる、以下の説明から、より詳細な理解を得ることができる。
図1は、遠視野においてLEDによって放射された光をコリメートするように機能している、LEDダイの上部に配置されたサブ波長散乱アンテナ（subwavelength scattering antennas）の配置を示している。 図2は、一般的に、サブ波長散乱アンテナのアレイの例示的な配置を示しており、アレイが、LED上面の上に配置されている図2a、アレイが、LED上面の中/上に、沈められ（submerged）、かつ／あるいは、部分的に沈められている図2b、および、アレイが、アレイとLED上面との間に配置された誘電体スペーサを使用して、LED上面からオフセットされている図2c、を含んでいる。 図3は、一般的に、サブ波長散乱要素のアレイの例示的な配置を示しており、アレイが、LED上面の頂部に配置されている図3a、アレイが、個々の散乱アンテナ間でｚオフセットされてLEDの上面に配置されている図3b、複数のアレイが、LED表面上に配置されており、各アレイは、各層の間にギャップを有することなく、散乱アンテナの異なる配置を有している図3c、および、複数のアレイが、LED表面上に配置されており、各アレイは、設計された厚さの層の間に誘電体スペーサを有し、散乱アンテナの異なる配置を有している図3d、を含んでいる。 図4は、LED基板からの光出力をコリメートする方法を示している。 図5aは、LEDからの光をコリメートするための散乱アンテナの一つの例示的なアプリケーションを示している。 図5bは、バルク反射材料を有し、かつ、蛍光体が無いLEDとして設計されたデバイスを示している。 図5cは、側面反射性コーティングを有し、かつ、蛍光体が無いLEDを示している。 図5dは、バルク反射材料および蛍光体層を有するLEDを示している。 図5eは、側面反射性コーティングおよび蛍光体層を有するLEDを示している。 図6は、1mm×1mmのLEDサイズにわたる散乱アンテナの位相分布Φ（ｘ，ｙ）のプロットを示している。 図7は、25μm×25μmの(図6に示されるような典型的に一辺が1-2mmであるLEDの寸法より比較して小さい)より小さい面積にわたる散乱アンテナの位相分布Φ（ｘ，ｙ）のプロットを示している。 図8は、散乱アンテナの位相関数のプロットを示している。 図9は、図7の位相分布プロットに対応して、サファイア基板上の10μm×10μmのより小さい領域にわたる散乱アンテナの配置の平面図を示している。 図10は、散乱アンテナのズームイン画像を示している。 図11は、散乱アンテナのさらなるズームイン画像を示している。
以下の説明においては、本実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構造、コンポーネント、材料、寸法、処理工程（step）、および技術といった、多数の特定的な詳細が明らかにされている。しかしながら、当業者であれば、実施形態が、これらの特定的な詳細なしに実施され得ることが理解されるだろう。他の例においては、実施形態を不明瞭にすることを避けるために、周知の構造または処理工程は、詳細に説明されてきていない。層（lay）、領域（region）、または基板（substrate）といった、要素が、別の要素の「上（“on”）」または「上に（“over”）」にあるものとして参照される場合、それは、他の要素の上に直接存在し得るか、もしくは、介在する要素も、また、存在し得ることが理解されるだろう。対照的に、ある要素が、別の要素の「直接的に上（“directly on”）」または「直接（“directly”）」上にあるものとして参照される場合、介在する要素は存在しない。ある要素が、別の要素の「下（“beneath”、“below”、または“under”）」にあるものとして参照される場合、それは、他の要素の直接的に下、または下に存在し得るか、もしくは、介在する要素も、また、存在し得ることが理解されるだろう。対照的に、ある要素が、別の要素の「直説的に下（“directly beneath”または“directly under”）」にあるものとして参照される場合、介在する要素は存在しない。
以下の詳細な説明における実施形態の提示を不明瞭にしないために、当技術分野において知られている幾つかの構造、コンポーネント、材料、寸法、処理工程、および技術は、提示および説明目的のために一緒に組み合わされてよく、そして、いくつかの例では、詳細に説明されていないことがある。他の例においては、当技術分野で知られている幾つかの構造、コンポーネント、材料、寸法、処理工程、および技術が、全く記載されないことがある。以下の説明は、ここにおいて説明される種々の実施形態の特色のある特徴または要素にむしろフォーカスしていることが理解されるべきである。
ナノスケールの構造的および化学的な特性の空間的な変動を伴う、人工的に構造化された、サブ波長の、ナノ構造化された光学メタマテリアル、メタサーフェス、およびフォトニック結晶は、発光ダイオード(LED)といった、平面状（planar）発光デバイスから放射される光をコリメートして、反射器及び／又はレンズアセンブリを使用することなく、コリメートされた光を遠視野の中へ放射することができる、平坦で、極薄の、コンパクトなLEDを提供する。カメラ付き携帯電話や小型化されたパーソナルエレクトロニクス機器といった、所定のアプリケーションにおいては、反射器およびレンズを有するLEDの厚さが重要な制限になり得る。本発明のコリメーション光学系は、別個の光学アセンブリを必要とする代わりに、LEDチップ自体の上に構築されてよい。
提案される方法は、サブ波長ナノ構造をLEDアーキテクチャの中へ組み込むことによって、LED(IR LEDに限定されないが、可視LEDにも適用可能である)の厚さを減少させる。サブ波長ナノ構造は、横方向サイズ（ｘ，ｙ）における光の自由空間波長よりも小さいサイズであってよく、そして、ｚ高さ（z-height）は、伝搬方向に沿って、サブ波長であっても、または、そうでなくてもよい。共振実装（resonant implementations）について、ｚは、また、サブ波長であってもよい。非共振（non-resonant）実装について、ｚは、サブ波長であってよく、または、サイズが概ね１波長であってもよい。サブ波長は、特定的な設計の波長におけるものといった、基準波長（reference wavelength）を参照する。これらのサブ波長ナノ構造は、それらを照明する光の振幅および位相に影響し、そして、ナノ構造のアレイによって透過または散乱された光を、LEDの遠視野においてコリメートされるようにする。これらのサブ波長ナノ構造は、光学的コリメート要素として、または、LEDからの光出力をコリメートするために使用される薄く、平坦な光学レンズとして、集合的に振る舞う。このことは、外部の反射器およびレンズの組み合わせに対する必要性を排除し、それによって、LEDパッケージの厚さを劇的に減少させている。サブ波長ナノ構造は、ここにおいて、散乱要素（scattering elements）及び／又は散乱アンテナ（scattering antennas）として参照され得る。
図1は、遠視野においてLEDによって放射された光をコリメートするように機能している、LEDダイ110の上部に配置されたサブ波長散乱アンテナまたはナノ構造の構成100を示している。サブ波長散乱アンテナの構成100は、サブ波長散乱アンテナ120のアレイを形成し得る。LEDダイ110は、ランバート角発光パターンを有する光を生成する。図1は、LEDダイ110を特定的に描いているが、ここにおける説明は、当業者によって理解されるであろうように、アレイ120を用いてLEDダイ110の上方に配置された蛍光体を含んでいる。
埋め込み媒体（embedding medium）130は、LEDダイ110に結合されてよい。この埋め込み媒体130は、これらに限定されるわけではないが、ポリジメチルシロキサン（PDM）といったシリコン（silicon）、ポリメチルメタクリレート（PMMA）といったガラスまたはアクリル、および、二酸化ケイ素（silicon dioxide）を含む、誘電体の形態をとることができる。埋め込み媒体130は、複数の層を使用する場合に、各層に対してホスト媒体（host medium）を提供するように設計されている。埋め込み媒体130について一般的な目的は、ナノ構造を機械的に保持することである。例えば、ナノ構造が、リソグラフィ技術によって作製されていないナノ粒子（nanoparticles）として実装される場合に、埋め込み媒体130は、ホスト媒体として作用する。埋め込み媒体130は、ナノ構造の光散乱特性を調整するための、液晶といった、調整可能な特性を有する媒体、または、温度による散乱特性の調整を可能にするための熱的に可変な屈折率を有する媒体であってよい。
サブ波長散乱アンテナ120が、埋め込み媒体130の中に設計されてよい。これらのサブ波長散乱アンテナ120は、LED発光領域の近接場または遠方場のいずれかにおいて配置されてよく、そして、光源によって放射される光と相互作用するように特に設計されている。近接場および遠方場は、LED発光領域の周囲の電磁場の領域である。放射の非放射性（non-radiative）「近接場“near-field”」挙動は、LED発光領域の近くで支配的であるが、一方で、電磁放射の「遠方場“far-field”」挙動は、より遠い距離において支配的である。サブ波長散乱アンテナ120は、また、人工的な電磁的及び／又は光学的材料としても参照される。これらの材料は、散乱アンテナ120の構造的および化学的なパラメータをエンジニアリング（engineering）することによって、特定の方法で光と相互作用するように独自に設計することができる。相互作用とは、光-物質（light-matter）相互作用、そして、具体的には、光と各ナノ構造の相互作用を参照する。入射電場は、入射光を良好に特徴付けられた方向に散乱させるナノ構造において、双極子（dipoles）(電気的及び／又は磁気的)および多極子（multipoles）(電気的及び／又は磁気的)を誘起し得る。散乱アンテナ120の構造的パラメータは、例えば、１つまたは２つの軸において発生し得る、形状、サイズ、および周期性（periodicity）を含み得る。
これらのサブ波長散乱アンテナ120は、一般的にx-y平面内に延在しているアレイ内に形成され得る。散乱アンテナ120は、ナノ構造を含んでよく、または、ナノ構造であってよい。散乱アンテナのアレイ120は、周期的構造（periodic structure）と光学的に作用し得る。異なる方向において移動するいくつかのビームへと、光を分割し、かつ、回折するものである。散乱アンテナ120は、LED放射光の振幅及び／又は位相に作用し得る。出力光の方向は、散乱アンテナの間隔（spacing）、形状、およびサイズ、そして、LEDによって放射される光の波長に依存する。本システムの種々の図示は、伝送（transmission）において使用される散乱アンテナ120の使用を含むが、そうした散乱アンテナ120は、また、反射においても使用され得ることが容易に理解されるだろう。
散乱アンテナ120によって占有される、平面上の領域Aは、大きく、かつ、LEDによって放射される光を可能な限り多く横切るように選択されている。しかしながら、領域Aは、例えば、LEDのサイズによって制限され得る。コリメーション層の動作原理は、以下のとおりである。サブ波長散乱アンテナ120は、散乱アンテナ120の構造的な属性のいくつかが領域Aまたは領域Aの部分によって空間的に変動するように、表面上にアレイとして配置されている。構造的な属性は、任意の寸法（any dimension）におけるサイズ、任意の寸法における形状、および、隣接するサブ波長散乱アンテナ120間の間隔、または、それらの組み合わせ、を含み得る。
形状は、長方形、正方形、ピラミッド、三角形、立方体、円筒形、および、正方形、長方形、円形、楕円形、六角形、等を含む二次元（2D）断面を有する他の形状を含んでよい。形状は、例えば、示されるように、散乱アンテナ120がLEDダイの中心から外側に向かって進行するにつれて、変動するサイズを含んでよい。形状は、構造的パラメータ、例えば、（ｘ，ｙ）の関数としての側面または半径により変動してよい。非限定的な単なる例として、中心に位置する散乱要素は、所定の形状であるように選択され、その直近に、両方の軸において、隣接するものは、ｚ軸において110%のサイズであり、x軸およびy軸において同じフットプリントを有し得る。このパターンは、LEDダイ110のエッジまで続いてよい。
サイズは、散乱アンテナ120の態様に係る様々な寸法を含んでよく、そして、特定の方法でLEDダイ110からの光と相互作用するように設計され得る。サイズは、構造的パラメータ、例えば、（ｘ，ｙ）の関数としての側面または半径により変動してよい。単なる例として、散乱アンテナ120の中心構造は、x軸およびy軸のフットプリントにおいて最大であってよく、そして、次いで、そこから外側に向かって進行する各構造は、LEDダイ110のエッジに到達するまで、90%のｘ／ｙ軸のフットプリントを有し得る。
散乱アンテナ120の周期性も、また、変動され得る。変動は、LEDダイ110のエッジに向かって外側へ放射している漸進的な（progressive）散乱アンテナ120の間隔を追加的に生成するか、または、縮小するか何れかの所定のファクタによって、散乱アンテナ120の周期性を変化させることを含み得る。散乱アンテナ120は、ｘ，ｙの空間的な寸法において好適に設計された周期性を伴って配列され得る。散乱要素は、例えば、双曲線（hyperbolic）メタマテリアルといった、ｚ方向において所定の周期性を有するナノ構造を含んでよい。
散乱アンテナ120の化学的パラメータは、使用される材料を含んでよい。当業者によって理解されるように、散乱アンテナ120における化学的な変動は、散乱体（scatterer）の屈折率および損失の選択を可能にし、それによって、散乱光の振幅および位相を変化させている。そうした変動は、LEDダイ110から放射される光において適切な効果を生成するように、サブ波長散乱アンテナ120の設計において使用され得る。
これらのサブ波長散乱アンテナ120を使用するデバイスの例は、メタマテリアル、フォトニック結晶、およびメタサーフェスを含んでいる。材料の選択は、これらに限定されるわけではないが、金属(これらに限定されないが、金、銀、銅、アルミニウムを含む)、および、誘電体(これらに限定されないが、シリコン（silicon）、二酸化ケイ素、二酸化チタン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素を含む)、並びに、可視波長領域（regime）において低損失プラズモニクス（low-loss plasmonics）を達成するために使用される、ハイブリッド金属－誘電体材料の組み合わせ、を含み得る。これらのサブ波長散乱アンテナ120は、光コリメート要素として集合的に振る舞う。このことは、外部の反射器およびレンズの組み合わせに対する必要性を排除し、それによって、LEDパッケージの厚さを劇的に減少させている。
サブ波長散乱アンテナ120の配置の実施、並びに、アレイにおける各要素の形状、サイズ、および材料特性は、LED上面の位置に関するアレイの位置、および、所望の出力コリメーションプロファイル、動作波長の範囲、並びに、また、あらゆる製造上の考慮及び制限に依存し得る。LEDのエミッタ領域から離れた光学的フィールド分布における変動のせいで、(任意の平面におけるフィールド分布で、平面のｘ，ｙ，ｚ位置の関数で)、アレイ上に入射する光子とアレイとの相互作用は、変化し、そして、散乱アンテナ120のｚ位置の関数である。従って、特定の設計は、LED上面からの反射を考慮しながら、LED放射領域からの散乱要素アレイの距離に依存して、その構造的および材料的な特性を変化させることによって、光をコリメートするように適合され得る。
各サブ波長散乱要素120は、ナノスケールアンテナとして振る舞い、そして、入射光を、所定の範囲の入射角から、既知の振幅および位相を有する所定の方向へ散乱させる。グループ（group）としての散乱アンテナは、散乱の方向を選択するように、または、そうでなければ、散乱の方向を生じさせて、コリメートされた光出力を提供するように設計され得る。多数のそうした散乱アンテナをｚ軸におけるLEDの表面上または近くに適切に配置することによって、サブ波長散乱アンテナ120のアレイ上に入射する光が、遠方場に対してコリメートされ得る。空間的に変動するパラメータを有するサブ波長散乱アンテナ120の設計は、散乱要素アレイ上に入射する光のフィールド分布の知識に依存している。サブ波長散乱アンテナアレイ120は、光学的に、LEDによって放射される光をコリメートするために使用されるナノスケールコリメート薄膜レンズとして、振る舞う。
図2は、サブ波長散乱アンテナのアレイに係るいくつかの例示的な配置を示しており、アレイ220が、LED210の上面の上に配置されている図2a、アレイ260が、LED250の上面の中または上に、沈められ（submerged）、かつ／あるいは、部分的に沈められている図2b、および、アレイ290が、アレイ290とLED280の上面との間に配置された誘電体スペーサ285を使用して、LED280の上面からオフセットされている図2c、を含んでいる。
図2aにおいて、サブ波長散乱アンテナ220のアレイは、LED210の上面に結合されている。すなわち、アレイ220は、埋め込み媒体230においてLED210の表面に対するｚ軸に隣接して配置されている。LED210の上面に隣接するアレイ220の空間的な位置決めは、散乱の方向を選択するか、または、そうでなければ、散乱の方向を生じさせて、コリメートされた光出力を提供するための、グループとして使用され得る。加えて、この空間的な位置決めは、他のビーム形成（beam forming）構成を含むさらなる利点を提供し得る。
図2bにおいては、サブ波長散乱アンテナのアレイ260が、LED250の上面内または上に、完全に又は部分的に沈められている（submerged）。すなわち、アレイ260は、埋め込み媒体270によってカバーされ、または、部分的にカバーされているｚ軸方向においてLED250上面の内側または部分的に内側に配置されている。少なくとも部分的に、または、完全にLED250基板内のアレイ260のこの空間的な位置決めは、散乱の方向を選択するため、または、そうでなければ、散乱の方向を生じさせて、コリメートされた光出力を提供するために使用され得る。特に、LED250の基板の中または部分的に中にアレイ260を配置することは、スプリアス散乱、および、LED250の上面からの、コリメーション設計への他の入力に関して、排除し、または、少なくとも制御することができる。
図2cにおいて、サブ波長散乱アンテナ290のアレイは、LED280の上面からオフセットされている。このオフセットは、ｚ軸方向におけるものであってよい。このオフセットは、埋め込み媒体295においけるｚ軸において、アレイ290とLED280の上面との間に誘電体スペーサ285を配置することによって生じ得る。誘電体スペーサ285のｚ軸にける厚さ(ｈとして示されるもの)は、アレイ290のｚ軸における位置決めを決定し得る。LED280の基板から離間された（spaced apart）アレイ290のこの空間的な位置決めは、コリメートされた光出力を提供するように、散乱の方向を選択するため、または、そうでなければ、散乱の方向を引き起こすために使用されてよい。特に、誘電体スペーサ285を使用してLED280の上面からアレイ290を間隔を空けて配置すること（spacing）は、LED280の上面からの反射の入力を制御することができ、そして、誘電体スペーサ285の選択によって、プロセスへの別のファクタを可能にし得る。スペーサ285は、例えば、レンズが蛍光体の頂部において製造される構成において、アセンブリの製造を助けるために利用され得る。
誘電体スペーサ285のサイズおよび材料に係るこの選択は、生成された光の遠視野におけるコリメーションを提供し、または、強化するように調整され得る、追加の変数を提供する。誘電体材料の選択は、また、埋め込み媒体295とのより良好な遷移（transition）も可能にし得る。それによって、図2aにおける状況の代わりに、LED280基板から埋め込み媒体295への遷移として動作し得る。図2aでは、埋め込み媒体230およびLED210基板が実質的に接触しており、かつ、光がそこを通じて伝搬するインターフェイスを生成している。理解されるように、そうした間隔は、パッケージ内で追加的な空間を消費してしまうことがある。加えて、この空間的な位置決めは、LEDからの光の抽出効率の改善を含む、さらなる利点を提供することができる。
加えて、散乱アンテナは、複数の層(図示なし)において配置されてよく、光散乱の選択を助けるように設計された層間の誘電体スペーサの可能性を有する。追加的な層は、いくつかのパラメータを各層へと分割することによって、広いパラメータ範囲にわたるオペレーションを提供するために使用され得る。ここで、パラメータは、波長及び／又は偏光（polarization）、例えば、収差エラー（aberration error）の補正、および、コリメート構造への多機能性の追加、であり得る。
散乱アンテナの連続する層のいくつか又は全ては、また、他の層に対して直接的に隣接して配置されてもよい。個々の散乱アンテナは、ｚ軸においてオフセットを有し得るが、他の散乱アンテナ、一般的ではあるが、散乱アンテナが、LED上面に対して平行な平面上に存在する。図3は、サブ波長散乱要素のアレイの例示的な配置を示しており、アレイ320がLED310の面の頂部に配置されている図3a、アレイ340が個々の散乱アンテナ間でzオフセットされてLED330の上面に配置されている図3b、複数のアレイ360、370が、LED350の表面上に配置されており、各アレイは各層の間にギャップを有することなく散乱アンテナの異なる配置を有している図3c、および、複数のアレイ390、395が、LED380の表面上に配置されており、各アレイは設計された厚さの層間に誘電体スペーサを有し、散乱アンテナの異なる配置を有している図3d、を含んでいる。
図3aは、LED310の基板の上面に隣接して配置された散乱アンテナ320の単一アレイを示している。これは、異なるアレイ間のギャップがゼロまたはゼロより大きくあり得るので、そこから図3の追加的な例が導かれる基本的な例を提供している。
図3bは、散乱アンテナ340の単一のアレイを示しており、ここで、アレイの中の散乱アンテナの１つは、LEDからの光出力内の異なる位置(ｚ軸オフセットを組み込んでいる)へ変位される。図3bに示されるように、散乱アンテナ340のいくつかは、LED330基板内に部分的に沈められている。理解されるように、図示されてはいないが、要素それぞれは、LED330の基板に完全に沈められてよい。散乱アンテナ340のいくつかは、図3aにおけるそれぞれの位置と同様に、LED330の基板に隣接して配置されている。散乱アンテナ340のいくつかも、また、LED330の基板の上面から、ある距離のｚ軸に移動されている。散乱アンテナ340の他のものは、LED330基板の上面から異なる距離にｚ軸において変位されている。
図3cは、LED350のvtop表面上に配置された散乱アンテナ360、370の複数のアレイを示しており(2つのアレイが示されている)、各アレイは、異なる配置の散乱アンテナを有しているが、同じ配置が使用されてもよく、アレイ間にギャップがない。一般的に、第１アレイ360は、図3aに示されたものと同一に配置され得る。第２アレイ370は、第１アレイ360に隣接して配置され得る。
図3dは、散乱アンテナ390、395の複数のアレイを示している(再び、2つのアレイが示されている)。各アレイ390、395は、同じ構成を有してよいが、異なる構成の散乱アンテナが使用されてもよい。一般的に、第１アレイ390は、図3aに示されたものと同一に配置され得る。第２アレイ395は、ｚ軸において第１アレイ390から距離ｈ１だけオフセットして配置され得る。より多くのアレイが使用される場合、アレイ間の間隔は、同一であってよく、または、変化してもよい。例えば、第２アレイと第３アレイとの間に距離h2を含むことによる、といったものである。
図4は、LED基板からの光出力をコリメートする方法400を示している。本方法は、ステップ410において、LED出力およびLED基板の上面を特定する（identifying）ステップを含む。本方法は、さらに、ステップ420において、LEDによって出力される光と相互作用するためのサブ波長散乱アンテナのアレイを提供することを含む。本方法は、ステップ430において、遠方場でコリメートされた光を生成するように、光との適切な相互作用を提供するための散乱アンテナをｚ軸に配置することを含み得る。本方法は、ステップ440において、媒体を変化させる（varying）ことを含み、ここで、散乱アンテナは、LED基板、埋め込み媒体、および誘電体スペーサの選択から埋め込まれており、かつ、この基板内に部分的に埋め込むことを含んでいる。本方法は、また、ステップ450において、出力光の所望の効果を提供するために、散乱アンテナのサイズ及び／又は形状を変動させる（varying）ことも含み得る。本方法は、また、ステップ460において、出力光の所望の効果を提供するために、散乱アンテナの材料を変動させることも含み得る。
散乱アンテナは、散乱アンテナのないLEDと比較したときに、LEDの遠視野における光が(実質的に)コリメートされるような方法で設計されている。各要素は、散乱が、光に対して所定の振幅および位相を与えさせるように選択され得る。従って、散乱アンテナは、多くの異なる設計を使用して実装され得る。
散乱アンテナは、共振散乱体（resonant scatterers）または非共振散乱体（non-resonant scatterers）としての動作モードに基づいて、広く分類され得る。共振散乱体は、所与の構造的、材料的なパラメータのセット、および、所与の波長について電磁共鳴をサポートする。例えば、散乱アンテナは、電気的および磁気的ダイポール共振およびクアドラポール（quadrapole）共振を含む、ミー共振（Mie resonances）をサポートし得る。一つの例として、そうした散乱アンテナは、電気的および磁気的両方のダイポールをサポートするシリコンナノピラー（silicon nanopillars）を含み得る。
代替的に、散乱アンテナは、非共振散乱体であってよい。この散乱要素は、例えば、導波モード（waveguiding mode）の使用による、等の異なる手段によって、散乱光の振幅および位相に影響を及ぼすことができる。この場合、各散乱要素は、入射波に対して、それが散乱アンテナを通じて伝搬する際に、異なる位相シフトを提供することができる。散乱アンテナは、全体として、アレイを通って伝搬する際に、入射波の振幅および位相を同調（tune）させる。両方の場合において、散乱場における振幅および位相の変動は、例えば、所定のパターンまたはプロファイルに基づいて散乱アンテナの寸法を変化させることによって獲得され得る。
LEDからの光をコリメートするための散乱アンテナのアプリケーションの一連の例が、図５を参照して、集合的に説明される。図5aにおいて、LEDアーキテクチャは、窒化ガリウム(GaN)といった、半導体層（semiconducting layer）502、および、サファイア基板504を含み得る。図5aに示されてはいないが、蛍光体層が、また、サファイア基板504と散乱アンテナ506との間に含まれてよい。最終デバイスにおいて、放射された光は、半導体層502からサファイア基板504の中へ、そして、最終的に周囲媒体へ出て行く。図5aに示されるように、散乱アンテナ506は、サファイア基板504の頂部に配置されてよい。図5aにおいて、サファイア基板504は、半導体層502のサイズよりも大きい。
散乱アンテナ506は、高誘電率(または高屈折率)かつ低損失な材料を含み得る。例えば、二酸化チタン、窒化ガリウム、窒化シリコン、赤外線近傍（at near IR wavelengths）のアモルファスまたは結晶シリコン（silicon）、等といったものである。材料の低損失特性は、デバイスに対して高い伝達効率（transmission efficiency）を提供する。二酸化チタンは、非共振散乱アンテナ506を実装するための材料として使用され得る。散乱アンテナ506を実装するための材料の屈折率は、少なくとも2.5の屈折率を有し、損失は１×１０－３未満である。
具体的に、散乱アンテナ506は、450nmおよび620nmの波長における使用のための二酸化チタンを含み得る。屈折率は概ね2.5であり、損失は１×１０－３未満である。代替的に、シリコンは、モバイルデバイス(例えば、顔認識および虹彩認識用といったもの)における近赤外(NIR)アプリケーションのための散乱アンテナ506として利用され得る。屈折率は概ね3.66(3.6から3.7の範囲内)であり、損失は３×１０－３未満である。
散乱要素パターンは、長方形または六角形の格子に配置され得る。図5aの例では、パターンが、長方形の格子に配置されてよい。格子の周期は、400nm未満であってよい。図5aの例において、格子の周期は、250nmであってよい。散乱アンテナ内のロッドの半径は、40nmから110nmまで変動してよい。使用される半径の上限および下限は、製造公差によって指示され、そして、設計は、製造公差に適合するように変更され得る。非共振デバイス設計において、散乱アンテナ506の高さは、数100nmであってよく、そして、実用的な手段を通じて達成され得るロッドのアスペクト比によって制限されてよい。１つの特定の設計において、ナノ構造の高さは、700nm未満であってよい。この特定の設計は、620nmを中心とする波長を有し得る。本設計コンセプトは、狭帯域および広帯域（白色光）動作の両方のための可視光を含む他の波長へ拡張することができる。例においては、サファイア基板504の厚さが100μmになるように選択され得るが、本説明から理解されるように、その厚さは、製造および取扱いプロシージャによって変化され、かつ、制限され得る。異なる材料および製造プロセスの選択により、基板502について、より薄い材料の使用が可能になり得る。一つの例において、コリメートナノ構造アレイ506の焦点距離は、100μmであると定義され得る。焦点距離は、LEDチップの活性光領域の画像を構成するように設計され得る。
図5の例において、ロッドの半径は、サファイア基板に沿った位置（ｘ，ｙ）の関数として変動し得る。ロッド半径は、遠視野において結果として生じる光がコリメートされるように、（ｘ，ｙ）の関数として変動し得る。代替的に、（ｘ，ｙ）につれて半径を変化させる代わりに、半径が一定に保たれ、かつ、高さが（ｘ，ｙ）の関数として変動してよい。この設計は、コリメートレンズとして機能する散乱アンテナ506のアレイを結果として生じる。チタン散乱アンテナ506の半径は、コリメートレンズに類似している構造の全体的な位相分布Φ（ｘ，ｙ）を提供するように選択され得る。この影響は、散乱された光の振幅および位相をロッドによって制御するために、散乱アンテナ506のアレイ内の各ロッドの半径を変動させるように選択することによって達成され得る。
単なる例として、非共振散乱アンテナ506の設計は、単位セルごとに１つのアンテナを有する長方形および六角形の格子の両方を含み得る。構造は、サファイア基板504の頂部に製造されてよく、空気のバックグラウンド媒体を有する。焦点距離は、LEDチップの活性発光領域からの画像を構成するように設計され得る。例えば、高さ600nmであり、25nmから110nmまで空間的に変化する半径を有する、二酸化チタン非散乱アンテナ506を使用して、250nmの周期性を伴う450nmで設計されたデバイス500が存在し得る。620nmでの別の設計は、蛍光体を使用することなく赤色を発する赤色発光LEDについて使用され得る。そうしたデバイス500は、25nmから130nmまで空間的に変動する半径を有する、高さ700nmの二酸化チタン非散乱アンテナ506を伴う300nmの周期性を含み得る。
追加的な例として、共振散乱アンテナ506の設計は、単位セルごとに１つのアンテナを有する長方形および六角形の格子の両方を含み得る。動作波長は、400nmの周期性を伴う850nmであってよく、25nmから180nmまで変化する半径を有する、高さ150nmのロッドを使用している。ガラス基板が使用されてよい。
これらのアンテナ層は、光をコリメートするための外部レンズの必要性を低減し、外部光学系に対して光を結合する際に向上した効率を提供するために、LEDによって放射される放射線プロファイルを狭めるために使用され、それによって、システム全体の効率を向上させている。この技術は、LEDの側面においてバルク反射材料または薄い反射層のいずれかを使用する、既存のLED構造に対するアプリケーションに適用することができる。
図5bから図5eは、散乱アンテナを組み込んでいる装置に係る追加的な例を提供する。図5bには、バルク反射材料を有し、かつ、蛍光体層を有さないLEDとして設計されたデバイス520が存在している。デバイス520は、デバイス520のコアの端部に配置されたバルク反射材料522を含む。デバイス520のコアは、LEDチップ526と散乱アンテナ(ナノ構造層)528との間に置かれたサファイア基板524を含む。LED520は、青色、緑色を発するInGaN LEDといった、所定の色／波長の光を発する。
図5cは、側面反射性コーティング542を有し、かつ、蛍光体を有さないLED540を示している。デバイス540は、デバイス540のコアの端部に配置された側面反射器542を含む。側面反射器542は、例えば、ブラッググレーティング（bragg grating）、誘電体ミラー、金属ミラーを含み得る。デバイス540のコアは、LEDチップ546と散乱アンテナ(ナノ構造層)548との間に置かれたサファイア基板544を含む。LED540は、青色、緑色を発するInGaN LEDといった、所定の色／波長の光を発する。
ナノ構造層548は、蛍光体550から放射される光をコリメートするために、蛍光体550の頂部に適用され得る。蛍光体550は、広帯域黄色光(白色LEDの場合のように、白色は青色＋黄色)を放射するか、または、狭帯域の波長(例えば、アンバー（amber）、濃赤色を放射するLED)で放射するLEDチップ546からの全ての青色光を完全に変換するように、選択することができる。ナノ構造層548は、白色光(黄色＋青色)、または、所定の色／波長をコリメートするように設計することができる。
図5dは、バルク反射材料562および蛍光体層570を有するLED560を示している。デバイス560は、デバイス560のコアの端部に配置されたバルク反射材料562を含む。デバイス560のコアは、LEDチップ566と蛍光体層570との間に置かれたサファイア基板564を含み、そして、散乱アンテナ(ナノ構造層)568は、サファイア基板564に対して遠位（distal）の蛍光体層570に隣接してよい。追加的なシリコーンウィング（silicone wings）572が、サファイア基板564およびLEDチップ566を越えて延在する蛍光体層570の下部に利用されてよい。
ナノ構造層568は、蛍光体570から放射される光をコリメートするために、蛍光体570の頂部に適用されてよい。蛍光体570は、広帯域黄色光(白色LEDの場合のように、白色は青色＋黄色である)を放射するか、または、狭帯域の波長(例えば、アンバー（amber）、濃赤色を放射するLED)で放射するLEDチップ566からの全ての青色光を完全に変換するように、選択することができる。ナノ構造層568は、白色光(黄色＋青色)、または、所定の色／波長をコリメートするように設計することができる。
図5eは、側面反射性コーティング582および蛍光体層590を有するLED580を示している。デバイス580は、デバイス580のコアの端部に配置された側面反射性コーティング582を含む。側面反射器582は、例えば、ブラッググレーティング、誘電体ミラー、金属ミラーを含んでよい。デバイス580のコアは、LEDチップ586と蛍光体層590との間に置かれたサファイア基板584を含み、そして、散乱アンテナ(ナノ構造層)588は、サファイア基板584に対して遠位の蛍光体層590に隣接してよい。
図6は、1mm×1mmのLEDサイズにわたる散乱アンテナの位相分布Φ（ｘ，ｙ）のプロット600を示している。図7は、25μm×25μmの(図6に示されるような典型的に一辺が1-2mmであるLEDの寸法より比較して小さい)より小さい面積にわたる散乱アンテナの位相分布Φ（ｘ，ｙ）のプロット700を示している。図6および図7は、異なる位置（ｘ，ｙ）で波がどのように遅延（retarded）されるかを集合的に示しており、そして、さらに、コリメートされたビームが存在することを示し、または、そうでなければ、ビーム形成を示し得る。
図8は、散乱アンテナの位相関数のプロット800を示している。図9は、図8の位相分布プロット800に対応して、サファイア基板上の10μm×10μmのより小さい領域にわたる散乱アンテナの配置の平面図800を示している。ロッドの半径および配置は、100μmの焦点距離を有するコリメートレンズの挙動を提供するように選択されてきている。図9は、上述の位相分布関数を概ね実装するロッドのアレイを示している。すなわち、図示されたロッドアレイは、位相分布関数によって与えられるように、入射光に対して位相遅延を概ね与えている。この図において、ロッドの半径は、サファイア基板に沿った位置（ｘ，ｙ）の関数として変動し得る。ロッド半径は、遠視野において結果として生じる光がコリメートされるように、（ｘ，ｙ）の関数として変動し得る。結果として生じるナノ構造のアレイは、コリメートレンズのように振る舞う。チタニア（titania）ナノロッドの半径は、構造の全体的な位相分布φ（ｘ，ｙ）がコリメートレンズのものと類似するように選択されている。このことは、ロッドによって散乱される光の振幅および位相を制御するために、アレイにおける各ロッドの半径を変化させることによって達成され得る。
図10は、散乱アンテナのズームイン画像1000を示している。図9は、図8の位相関数を示し、かつ、位相関数が散乱アンテナの構造の中へどのように伝達するかを示している。2つの図を比較することによって、容易に関係性が結論づけられる。
図11は、散乱アンテナのさらなるズームイン画像1100を示している。周期的に配置された一連の棒が示されている。図11は、空間的に変動する寸法を有するロッドの周期的な配置を示しており、同じ一定の高さを有している。
特徴および要素が、特定の組み合わせにおいて上述されているが、当業者であれば、各特徴または要素が、単独で、または、他の特徴および要素と伴に、もしくは、伴わずに、任意の組み合わせにおいて使用され得ることを正しく理解するだろう。加えて、ここにおいて説明された方法は、コンピュータまたはプロセッサによる実行のためにコンピュータで読み取り可能な媒体に組み込まれたコンピュータプログラム、ソフトウェア、またはファームウェアにおいて実装され得る。コンピュータで読取り可能な媒体の例は、電子信号(有線または無線接続を介して送信されるもの)およびコンピュータで読取り可能な記憶媒体を含む。コンピュータで読取り可能な憶媒体の例は、これらに限定されるわけではないが、読出し専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、レジスタ、キャッシュメモリ、半導体メモリデバイス、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクといった磁気媒体、光磁気媒体、および、CD-ROMディスクといった光媒体、そして、デジタル多用途ディスク（DVD）を含む。

Claims (20)

  1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）の出力をコリメートするためのデバイスであって、
    上面を含むＬＥＤ基板であり、該上面から光が放射される、ＬＥＤ基板と、
    放射された光の経路内に配置されたサブ波長散乱アンテナのアレイであり、前記ＬＥＤが放射した光の散乱の方向を選択するように構成されており、前記デバイスからコリメートされた光出力を提供する、サブ波長散乱アンテナのアレイと、
    前記放射された光の経路内に配置され、かつ、前記アレイから距離を離して置かれたサブ波長散乱アンテナの第２アレイであり、前記ＬＥＤが放射した光の散乱の方向を選択するように構成されており、前記デバイスからコリメートされた光出力を提供する、サブ波長散乱アンテナの第２アレイと、
    を含む、デバイス。
  2. 前記アレイは、前記ＬＥＤから放射された光の伝搬平面に対して垂直である、
    請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記アレイは、前記上面に隣接して配置されている、
    請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記第２アレイは、前記ＬＥＤから放射された光の伝搬平面に対して垂直である、
    請求項１に記載のデバイス。
  5. 前記第２アレイは、前記上面に隣接して配置されている、
    請求項１に記載のデバイス。
  6. 前記デバイスは、さらに、埋め込み媒体を含み、
    前記埋め込み媒体の中に前記アレイが配置されている、
    請求項１に記載のデバイス。
  7. 前記デバイスは、さらに、埋め込み媒体を含み、
    前記埋め込み媒体の中に前記第２アレイが配置されている、
    請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記アレイは、前記ＬＥＤ基板内に少なくとも部分的に配置されている、
    請求項１に記載のデバイス。
  9. 前記アレイは、前記ＬＥＤ基板内に配置されている、
    請求項１に記載のデバイス。
  10. 前記アレイは、前記上面から距離を離して置かれている、
    請求項１に記載のデバイス。
  11. 前記第２アレイは、前記上面から距離を離して置かれている、
    請求項１に記載のデバイス。
  12. 前記デバイスは、さらに、前記上面に隣接する誘電体スペーサ、を含み、
    前記誘電体スペーサは、光の伝搬方向において前記上面からの前記アレイの間隔を提供している、
    請求項１に記載のデバイス。
  13. 前記アレイは、前記誘電体スペーサ内に配置されている、
    請求項８に記載のデバイス。
  14. 前記第２アレイは、前記誘電体スペーサ内に配置されている、
    請求項８に記載のデバイス。
  15. 前記アレイおよび前記第２アレイは、距離を離して置かれている、
    請求項１０に記載のデバイス。
  16. 発光ダイオード（ＬＥＤ）の出力をコリメートする方法であって、
    ＬＥＤ基板の上面からの光を放射するステップと、
    放射された光の経路内に配置されたサブ波長散乱アンテナのアレイを使用して、デバイスからコリメートされた光出力を提供するために、前記ＬＥＤが放射した光の散乱の方向を選択するステップと、
    前記アレイが埋め込まれている媒体を変動させるステップと、
    前記アレイの散乱アンテナの形状およびサイズを変動させるステップと、
    前記散乱アンテナのアレイの材料を変動させるステップと、
    を含む、方法。
  17. 前記方法は、さらに、
    前記放射された光の経路内に配置され、かつ、前記アレイから距離を離して置かれたサブ波長散乱アンテナの第２アレイを使用して、前記デバイスからコリメートされた光出力を提供するために、前記ＬＥＤが放射した光の散乱の方向を選択するステップ、
    を含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記方法は、さらに、
    前記第２アレイが埋め込まれている媒体を変動させるステップと、
    前記第２アレイの散乱アンテナの形状およびサイズを変動させるステップと、
    前記散乱アンテナの第２アレイの材料を変動させるステップと、
    を含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記第２アレイは、前記光の伝搬方向において前記アレイから距離を離して置かれている、
    請求項１７に記載の方法。
  20. 発光ダイオード（ＬＥＤ）の出力をコリメートするためのデバイスであって、
    上面を含むＬＥＤ基板であり、該上面から光が放射される、ＬＥＤ基板と、
    放射された光の経路内に配置されたサブ波長散乱アンテナのアレイであり、前記ＬＥＤが放射した光の散乱の方向を選択するように構成されており、前記デバイスからコリメートされた光出力を提供する、サブ波長散乱アンテナのアレイと、
    を含む、デバイス。

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