JP2023507977A - 接合型光学デバイス - Google Patents

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Abstract

Figure 2023507977000001
接合型光学デバイスが開示される。接合型光学デバイスは、第１の光学素子と、第２の光学素子と、光路とを含むことができる。第１の光学素子は、第１の色の光を放射するように構成された光エミッタの第１のアレイを有する。第１の光学素子は、少なくとも１つのプロセッサエレメントに接合され、少なくとも１つのプロセッサエレメントは、第１の光学素子の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を含む。第２の光学素子は、第１の色とは異なる第２の色の光を放射するように構成された光エミッタの第２のアレイを有する。第２の光学素子は、少なくとも１つのプロセッサエレメントに接合される。光路は、第１及び第２の光学素子と光学的に結合される。光路は、第１及び第２の光学エミッタからの光の重ね合わせを、ユーザによって見られる光出力に伝達するように構成される。
【選択図】 図６

Description

（優先権出願の参照による援用）
本出願は、２０２０年１２月１６日に出願された米国特許出願第１７／１２４，４０８号、及び２０１９年１２月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／９４９，３１２号に対する優先権を主張し、これらの内容全体は、その全体として及びあらゆる目的のために参照により本明細書に援用される。
（技術分野）
本分野は、接合型光学デバイスに関し、特に、ウェアラブルエレクトロニクスで用いる接合型光学デバイスに関する。
幾つかのタイプのディスプレイデバイスでは、極めて小型で超高解像度のデバイスが望ましい。例として、スマートウォッチ及び携帯電話のディスプレイなどの直視型ディスプレイスクリーン、並びにヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）及びスマートグラスなどの小型スクリーンから投影される画像を用いた用途が挙げられる。例えば、拡張現実（ＡＲ）メガネなどのウェアラブルスマートグラス、又は電子回路及びディスプレイを含む他のアイウェアでは、画像は、ユーザの目から１～２ｃｍ未満（例えば、１～１．２ｃｍ）に位置することがある。このようなデバイスでは、例えば、所望の画像品質を提供するために、できるだけ小さい（例えば、５～６μｍ未満の）表示ピクセルのピッチを利用することが望ましいとすることができる。エルコス（ＬＣｏＳ）などの幾つかの技術は、低ピッチのピクセルを提供することができるが、僅かな量の光エネルギー（例えば、光）が失われる点で非効率であり、製造収率が低い低解像度を有する場合があり、高価となる可能性がある。
マイクロ発光ダイオード（ｍｉｃｒｏＬＥＤ）などの他の技術は、例えば、十分に明るい雰囲気で見える鮮明な画像を提供するために十分な量の光エネルギー（例えば、輝度）を提供できるので、ＡＲ／ＭＲ（複合現実）用途のために極めて明るい画像を提供することが可能である。発光ダイオード（ＬＥＤ）ウェーハは、一度に１つの波長の光（赤「Ｒ」、緑「Ｇ」又は青「Ｂ」）に対して処理することができ、多色ディスプレイを作ることは、上述の用途において所望のレベルの画質を提供することに対して依然として困難を伴う。
従って、例えば、単色ＬＥＤディスプレイからカラー画像を作成し、これらの単色マイクロＬＥＤディスプレイを、ＡＲスマートグラス、投影システム、ｃａｒＨＵＤ、スマートウォッチディスプレイ、携帯電話ディスプレイ、その他などの用途に統合するための改良された光学デバイスに対する継続的な要求が依然として存在する。
ここで、例示として提供され限定ではない添付図面を参照しながら、具体的な実施構成について説明する。
ディスプレイデバイスとユーザの目との間の相対距離の例証を示す概略図である。 一実施形態による、直接接合型光学デバイスの概略側断面図である。 他の実施形態による、直接接合型光学デバイスの概略側断面図である。 一実施形態による、光学組立体の概略側断面図である。 他の実施形態による、光学組立体の概略側断面図である。 一実施形態による、光学デバイス内のピクセル間の物理的分離の例証を示す概略図である。 一実施形態による、光学デバイスの個々のピクセル間の物理的分離の例証を示す概略図である。 一実施形態による、光学デバイス内のピクセルのＡｘＡマトリックスにおける物理的分離のみの例証を示す概略図である。 一実施形態による、本明細書に記載の光学組立体を組み込むことができる光学系を示す概略図である。 一実施形態による、入力及び出力カップリングで導波路に直接接合型光学デバイスを示す概略図である。 別の実施形態による、入力及び出力カップリングを有する導波路に光を導くように構成された光学デバイスを示す概略図である。 ３色ピクセルの重ね合わせの例証を示す概略図である。
図１は、様々なディスプレイデバイス１０４、１０６、１０８とユーザの目１０２との間の相対的なディスプレイ距離の例証１００を示す概略図である。目の最も敏感な部分である窩は、最も多くの網膜錐体（色を識別するのに役立つ）を含み、およそ１弧分までの解像度を有し、これは６０ピクセル／度（ＰＰＤ：Ｐｉｘｅｌｓ Ｐｅｒ Ｄｅｇｒｅｅ）である。ＰＰＤは、ユーザの目１０２からのディスプレイデバイスの距離に基づいて、ディスプレイで必要とされるピクセルピッチを表す。ユーザの目１０２からの作動距離がおよそ１ｃｍを有するＡＲスマートグラスディスプレイ１０４の場合、およそ５μｍまでのピクセルピッチは、「鮮明な画像」として知覚されるものを生成する。ユーザの目１０２からおよそ２０ｃｍの作動距離を有する携帯電話ディスプレイ１０６の場合、およそ５０μｍまでのピクセルピッチは、鮮明な画像を生成する。ユーザの目１０２からの作動距離がおよそ５０ｃｍのコンピュータディスプレイ１０８の場合、およそ３００μｍまでのピクセルピッチは、鮮明な画像を生成する。ディーエルピー（ＤＬＰ）及びエルコス（ＬＣｏＳ）ベースの技術は、例えば、低輝度、ピクセルサイズ、ピッチ、ディスプレイサイズ、その他を含む複数の理由で十分ではない。従って、マイクロＬＥＤデバイスは、ＡＲディスプレイアプリケーションなどの幾つかのアプリケーションで有用とすることができる。
本明細書で開示される様々な実施形態は、接合型光学デバイス２００、３００ａ～ｃ（例えば、図２及び図３に示される）に関する。本明細書で説明するように、幾つかのタイプの光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃ（例えば、図２及び３に示される）、特に発光学素子（例えば、発光ダイオード、又はＬＥＤ）は、単一色（例えば、赤、緑、又は青）の光を放射するように構成されたデバイスを有するウェーハにおいて製造することができ、これにより、これらの別個のウェーハから数十万又は数百万のＬＥＤから構成される多色ディスプレイを製作することが困難になる可能性がある。様々な実施形態において、光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃは、半導体材料で形成することができる。例えば、光学ウェーハ（ＬＥＤウェーハなど）は、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａｌｎＰ、その他などのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料（複数可）から形成することができる。様々な実施形態において、直接接合手法は、このような化合物半導体材料を異なるタイプの半導体プロセッサエレメント（例えば、Ｓｉ又はＣＭＯＳプロセッサダイ）に接合可能にし、異種システムを作成することができる。更に、ディスプレイ（小型ディスプレイ又はユーザの近くに配置されるように構成されたディスプレイなど）上に直接表示又は投影される高品質で高輝度の画像を表示するため十分に小さいピッチ（例えば、ピクセル間の空間）を有するピクセル６０２ａ～ｃ（例えば、図６に示される）（又はディスプレイ領域）を有する光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃ（例えば、図２及び図３に示される）を提供するのが難しい可能性がある。様々な実施形態において、アレイの光エミッタのピッチは、５０ミクロン未満、例えば、１０ミクロン未満とすることができる。
幾つかのマイクロＬＥＤディスプレイにおいて、各ピクセル７０４（例えば、図７Ａに示される）は、個々のＬＥＤチップ（例えば、光学素子）をピクセル７０４（例えば、図７Ａに示される）として又はサブピクセルとして利用することができる。例えば、マイクロＬＥＤチップ（例えば、エミッタのアレイを含む光学素子）は、ピックアンドプレース技術で別々に製造されて配置することができる。転送及び配置技術並びに色変換スキームも使用することができるが、これらの技術は経済的でない場合があり、又は極めて損失が大きい場合がある。従って、改善された光学デバイスに対する継続的な必要性が依然として存在する。
本明細書に開示される実施形態は、光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃ（例えば、図２及び３に示される）（特に、複数のＬＥＤを含むＬＥＤデバイスなどの発光学素子）を、光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃ（図２及び図３に示される）の動作を制御するように構成されたアクティブ回路（例えば、１又は２以上のトランジスタ）を含むことができるプロセッサ、例えば、画像プロセッサエレメントなどの少なくとも１つのキャリア２０４、３０４ａ～ｃ（例えば、図２及び３に示される）に接合（例えば、直接接合又はハイブリッド接合）することによって微細ピクセルピッチを有するディスプレイを可能にすることができる。様々な実施形態において、エミッタアレイの光エミッタは、独立して制御可能とすることができる。有益なことに、幾つかの実施形態では、直接接合又はハイブリッド接合を使用して、接着剤を使用することなく、光学素子２０２ａ－ｃ、３０２ａ－ｃ（例えば、図２及び３に示される）をキャリア２０４、３０４ａ－ｃ（例えば、図２及び３に示される）（例えば、プロセッサエレメント）に物理的及び電気的に接続することが可能である。直接接合の使用により、５ミクロン未満、又は１ミクロン未満のピクセルピッチを可能にすることができる。少なくとも１つのキャリア２０４、３０４ａ－ｃは、７ｐｐｍ未満の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。
図２は、一実施形態による、複数の光学素子２０２ａ～ｃが共通キャリア２０４に接合（例えば、直接接合）される接合型光学デバイス２００の概略側断面図である。幾つかの実施形態では、共通キャリア２０４は、光学素子２０２ａ～２０２ｃの動作を制御する回路を有するプロセッサダイなどの集積デバイスダイを備えることができる。図３は、複数の光学素子３０２ａ～ｃが対応する複数のキャリア３０４ａ～ｃに接合（例えば、直接接合）される、複数の接合型光学デバイス３００ａ～ｃの概略側面断面図である。光学素子は、ウェーハの形態で製造され、図２～３に示される光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃを定めるためにシンギュレーションすることができる。図２に示すように、光学素子２０２ａ～ｃ（ＬＥＤなどのエミッタダイを備えることができる）は、例えばダイ・ツー・ウェーハ（Ｄ２Ｗ）プロセスにおいて、介在接着剤なしで共通キャリア２０４に直接接合することができる。幾つかの実施形態では（例えば、図１１を参照）、光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃ及びキャリア２０４、３０４ａ～ｃは、より大きな光学システムに統合することができる。例えば、接合型光学デバイス２００（例えば、光学素子２０２ａ～ｃ及びそれに直接接合された共通キャリア２０４を含む）は、導波路又は他の構造体に取り付けることが可能である。
他の実施形態では、図３に示すように、キャリア３０４ａ～ｃは、複数の接合型光学デバイス３００ａ～ｃを形成するためにシンギュレーションすることができる。他の実施形態では、シンギュレーションされた光学素子３０２ａ－ｃは、ダイ・ツー・ダイ（Ｄ２Ｄ）プロセスにおいてシンギュレーションされたキャリア３０４ａ－ｃに接合されて、図３に示される接合型光学デバイス３００ａ－ｃを得ることができる。更に他の実施形態では、ウェーハ形態（図示せず）の光学素子は、ウエハ・ツー・ウエハ（Ｗ２Ｗ）プロセス（図示せず）でウェーハ形態（図示せず）のキャリア（例えば、プロセッサウェーハ）に接合する（例えば、直接接合する）ことができる。その後、接合されたウェーハは、シンギュレーションされて、複数の接合型光学デバイス３００ａ～ｃを形成することができる。
光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃは、接着剤なしで、少なくとも１つのキャリア２０４、３０４ａ～ｃ（プロセッサエレメントなど）に（例えば、カリフォルニア州Ｓａｎ ＪｏｓｅのＸｐｅｒｉ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって使用される、ＺｉＢｏｎｄ（登録商標）、ＤＢＩ又はＤＢＩ Ｕｌｔｒａ技術などの誘電体－誘電体接合技術を用いて）直接接合することができる。例えば、誘電体－誘電体接合は、少なくとも米国特許第９，３９１，１４３号及び米国特許第１０，４３４，７４９号（これらの各々の内容全体は、その全体及びあらゆる目的で引用により本明細書に組み込まれる）に開示されている直接接合技術を使用して接着剤なしで形成することができる。
様々な実施形態において、直接接合は、介在する接着剤なしで形成することができる。例えば、誘電体接合面２０６、３０６ａ－ｃは、高度な平滑性にまで研磨することができる。接合面２０６、３０６ａ－ｃは、洗浄されてプラズマ及び／又はエッチャントに曝され、表面を活性化させることができる。幾つかの実施形態では、表面は、活性化した後又は活性化中（例えば、プラズマ及び／又はエッチプロセスの間）に、ある化学種で終端することができる。様々な実施形態において、終端化学種は、窒素を含むことができる。更に、幾つかの実施形態では、接合面はフッ素に曝露することができる。例えば、層及び／又は接合界面の近くに、１又は複数のフッ素ピークが存在することができる。理論によって制限されることなく、幾つかの実施形態において、活性化プロセスは、接合面で化学結合を破断するために実行することができ、終端プロセスは、直接接合の際に接合エネルギーを向上させる追加の化学種を接合面に提供することができる。従って、直接接合構造において、２つの誘電体材料間の接合界面は、接合界面においてより高い窒素含有量及び／又はフッ素ピークを有する極めて滑らかな界面を備えることができる。
様々な実施形態において、光学素子２０２ａ－ｃ、３０２ａ－ｃ又はＬＥＤ素子の導電性コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、３０８ａ－ｃは、キャリア２０４、３０４ａ－ｃ（例えば、プロセッサエレメント）の対応する導電性コンタクトパッド２１０ａ－ｃ、３１０ａ－ｃに直接接合することができる。ＬＥＤチップ内の１つのＬＥＤピクセルは、様々な実施形態において、２つのコンタクトパッド又は電極（正電極及び負電極）を有することができる。様々な実施形態において、キャリア２０４、３０４ａ～ｃ（例えば、プロセッサエレメント）は、対応する光学素子３０２ａ～ｃに同一の画像を作成することができる。本明細書で説明するように、各光学素子３０２ａ～３０２ｃは、単色発光学素子を備えることができ、画像を重ね合わせたときに多色画像を見ることができるように、同一の画像を作成することができる。例えば、ハイブリッド接合技術を使用して、共有結合的に直接接合された誘電体－誘電体表面を含む接合界面２０６、３０６ａ～ｃに沿って導体－導体直接接合を提供することができる。様々な実施形態において、導体－導体（例えば、コンタクトパッド－コンタクトパッド）の直接接合及び誘電体－誘電体接合は、少なくとも米国特許第９，７１６，０３３号及び米国特許第９，８５２，９８８号（これらの各々の内容全体は、その全体及びあらゆる目的で引用により全体が本明細書に組み込まれる。）に開示された直接接合技術を使用して形成することができる。
例えば、誘電体接合面２０６、３０６ａ－ｃは、介在する接着剤なしで前処理されて互いに直接接合することができる。導電性コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃ（非導電性誘電場領域によって囲むことができる）もまた、介在する接着剤なしで互いに直接接合することができる。幾つかの実施形態では、それぞれのコンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃは、誘電場領域の下方に凹状にされ、例えば２０ｎｍ未満、１５ｎｍ未満、又は１０ｎｍ未満、例えば２ｎｍ～２０ｎｍの範囲、又は４ｎｍ～１０ｎｍの範囲で凹状にすることができる。誘電場領域は、幾つかの実施形態において、室温で接着剤なしで互いに直接接合することができ、その後、接合構造はアニールすることができる。アニールすると、コンタクトパッド２０８ａ～ｃ、２１０ａ～ｃ、３０８ａ～ｃ、３１０ａ～ｃは、拡張して互いに接触し、金属－金属ダイレクトボンドを形成することができる。有益なことに、ダイレクトボンドインターコネクト、又はＤＢＩ（登録商標）及び／又はＺｉＢｏｎｄ技術の使用は、上記で説明するように、微細なピクセルピッチを可能にすることができる。幾つかの実施形態では、ボンディングパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃのピッチは、３００ミクロン未満、４０ミクロン未満、１０ミクロン未満、又は２ミクロン未満とすることができる。幾つかの用途では、ボンディングパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃのピッチとボンディングパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃの寸法の一つとの比が、５未満、又は３未満、及び場合によっては２未満であることが望ましい。様々な実施形態において、コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃは、銅を含むことができるが、他の金属が好適な場合もある。
本明細書に開示された実施形態はまた、米国特許出願第１５／９１９，５７０号（２０２０年４月２１日に米国特許第１０，６２９，５７７号として発行された）；米国特許出願第１６／２１９，６９３号；及び米国特許出願第１６／１７６，１９１号を通して開示された装置及び方法と組み合わせて使用することができ、これらの各々の内容全体は、その全体及びあらゆる目的で引用により本明細書に組み込まれる。米国特許出願第１５／９１９，５７０号は、例えば、エミッタの直接制御（アクティブマトリックス駆動）のために、ＣＭＯＳ論理ウェーハ又はダイをＬＥＤウェーハ又はダイに直接ハイブリッド接合する方法を教示している。米国出願第１６／１７６，１９１号は、光学的に透明な基板の直接接合を教示している。
本明細書に開示された実施形態は更に、米国特許第１０，６２９，５７７号を通して開示された装置及び方法（光学素子をプロセッサダイにどのように接合することができるかを記載している）と組み合わせて用いることができ、その内容全体は、その全体及びあらゆる目的で引用により本明細書に組み込まれる。米国特許第１０，６２９，５７７号は、例えば直接接合型ＬＥＤアレイのような光学素子の直接接合アレイを教示している。
従って、直接接合プロセスでは、第１の要素（例えば、光学素子２０２ａ－ｃ、３０２ａ－ｃ）は、介在する接着剤なしに第２の要素（例えば、プロセッサダイなどのキャリア２０４、３０４ａ－ｃ）に直接接合することができる。幾つかの配置では、第１の要素は、シンギュレーションされた光学デバイスダイのようなシンギュレーション要素を備えることができる。他の配置では、第１の要素は、シンギュレーション時に複数の集積デバイスダイを形成する複数（例えば、数十、数百、又はそれよりも多い）のデバイス領域を含むキャリア又は基板（例えば、ウェーハ）を備えることができる。同様に、第２の要素は、シンギュレーションされた集積デバイスダイ（例えば、プロセッサダイ）のようなシンギュレーション要素を備えることができる。他の配置では、第２の要素は、基板（例えば、ウェーハ）を備えることができる。
本明細書で説明するように、第１及び第２の要素（例えば、光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃ及びキャリア２０４、３０４ａ～ｃ又はプロセッサダイ）は、接着剤なしで互いに直接接合することができ、これは蒸着プロセスとは異なる。第１及び第２の要素は、これに応じて、非堆積要素を備えることができる。更に、直接接合構造は、堆積層とは異なり、ナノボイドが存在する接合界面２０６、３０６ａ～ｃに沿った欠陥領域（図示せず）を含むことができる。ナノボイドは、接合面の活性化（例えば、プラズマへの曝露）に起因して形成される場合がある。上記で説明するように、接合界面２０６、３０６ａ－ｃは、活性化及び／又は最後の化学処理プロセスからの材料の濃縮を含むことができる。例えば、活性化のために窒素プラズマを利用する実施形態では、窒素ピークが接合界面２０６、３０６ａ－ｃに形成することができる。活性化のために酸素プラズマを利用する実施形態では、酸素ピークが、接合界面２０６、３０６ａ－ｃに形成することができる。幾つかの実施形態では、接合界面２０６、３０６ａ－ｃは、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸窒化シリコン、又は炭窒化シリコンを含むことができる。本明細書で説明するように、直接接合は、ファンデルワールス結合よりも強い共有結合を含むことができる。また、接合層は、高い平滑度にまで平坦化された研磨表面を含むことができる。
様々な実施形態において、コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ又は３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃ間の金属間接合は、接合界面２０６、３０６ａ－ｃにわたって銅粒が互いに成長するように接合することができる。幾つかの実施形態では、銅は、接合界面２０６、３０６ａ－ｃにわたって銅の拡散を改善するために結晶面に沿って配向された結晶粒を有することができる。接合界面２０６、３０６ａ－ｃは、接合コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃの少なくとも一部まで実質的に完全に延びることができ、接合コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃにおける又はその近傍の非導電接合領域間に実質的にギャップがないようにされる。幾つかの実施形態では、コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃの下にバリア層（図示せず）を設けてもよい（例えば、銅を含むことができる）。しかしながら、他の実施形態では、例えば、米国特許出願公開番号第２０１９／００９６７４１号に記載されているように、コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃの下にバリア層がなくてもよく、当該特許出願は、あらゆる目的で引用により全体が本明細書に組み込まれる。
図示の実施形態は、直接接合型光学素子を示しているが、他の実施形態では、光学素子は、接着剤、例えば、透明接着剤でキャリアに取り付けることが可能である。
本明細書で図示され及び説明されるように、幾つかの実施形態では、接合型光学デバイス２００、３００ａ～ｃは、複数の画像領域又はディスプレイ領域（例えば、図６に示すようにピクセル６０２ａ～ｃ）を含む光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃを備えることが可能である。各画像領域は、単一色の光を放射するように構成された光学エミッタ６１４を含む単色画像領域を備えることができる。光学エミッタ６１４は、発光ダイオードを備えることができ、ＬＥＤが形成された光学素子内の領域又は表面から光を放射することができる。光学素子２０２ａ～ｃ、３０２ａ～ｃは、ＩＩＩ－Ｖ族材料、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、その他を含むＬＥＤウェーハを備えることができる。例えば、光学素子２０２ａ－ｃ、３０２ａ－ｃは、様々な実施形態において、単色ＬＥＤチップを備えることができる。ＬＥＤチップは各々、単一色の光を放射するように構成することができる。ＬＥＤチップは、互いに異なる色を放射するように構成することができる。例えば、第１のＬＥＤチップ（光学素子２０２ａなど）は、赤色光を発するように構成することができ、第２のＬＥＤチップ（光学素子２０２ｂなど）は、緑色光を発するように構成することができ、第３のＬＥＤチップ（光学素子２０２ｃなど）は、青色光を発するように構成することができる。ＬＥＤチップは、任意の適切な色を放射することができることを理解されたい。
光学素子２０２ａ－ｃ、３０２ａ－ｃは、光学素子２０２ａ－ｃ、３０２ａ－ｃのピクセルの動作を制御するためのアクティブ回路を有する少なくとも１つのキャリア２０４、３０４ａ－ｃ（例えば、少なくとも１つのプロセッサエレメント）に接合、例えば、介在する接着剤なしで直接接合することができる。少なくとも１つのキャリア２０４、３０４ａ－ｃは、シリコンなどの半導体素子を様々な配置で構成することができる。例えば、キャリア２０４、３０４ａ－ｃは、幾つかの実施形態において、シリコンベースのバックプレーンとして機能することができる。キャリア２０４、３０４ａ－ｃは、コンタクトパッド２０８ａ－ｃ、２１０ａ－ｃ、３０８ａ－ｃ、３１０ａ－ｃを介して光エミッタに電気的に接続されたドライバ回路を有するプロセッサダイを備えることができる。ドライバ回路は、光学素子２０２ａ－ｃ、３０２ａ－ｃの複数の光エミッタからの発光を制御することができる。
本明細書で説明するように、複数の画像領域（図６に示すピクセル６０２ａ～ｃなど）は、各画像領域からの単色光が光路に結合されるように、互いに対して及び共通光路（図８に示す光導波路８０４など）に対して配置することが可能である。幾つかの実施形態では、複数のこのような接合型光学デバイス２００、３００ａ－ｃは、共通の光路に結合することができる。複数の接合型光学デバイス２００、３００ａ－ｃは、異なる色の光（例えば、赤の接合型光学デバイス、緑の接合型光学デバイス、青の接合型光学デバイス）を放射するように構成することができる。複数の接合型光学デバイスからの重畳された光ビームは、光路に沿って、ユーザによって視認される光出力に転送することができる。複数の単色画像は、複数の接合型光学デバイスのピクセル各々の複合的な寄与を表す導波路内の多色画像に重畳することができる。
様々な実施形態において、複数の単色画像領域からの光の重ね合わせは、１つの画像領域が損傷しているか又は使用されていない場合に冗長性を提供することができる。このような場合、他のピクセルからの光は、損傷した画像領域における光の色を補償することができる。
有益なことに、本明細書に開示された実施形態は、基板上のシンギュレーションされたＬＥＤを別々にシンギュレーションして再増殖することなく、複数のＬＥＤのアレイ又はピクセルを含む接合光学素子２０２ａ－ｃ、３０２ａ－ｃを利用することが可能である。ＬＥＤチップのアレイは、ＬＥＤの動作を制御するように構成された処理素子のアレイに直接接合することができる。対照的に、他の方法では、各ＬＥＤピクセルを高ピッチで基板上にシンギュレーションしスタックすることができるため、組立プロセスが複雑になる可能性がある。ＬＥＤのアレイを含む直接接合型光学素子を使用することにより、これに応じてディスプレイデバイスの製造性を向上させることができる。一実施例では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）ＬＥＤウェーハのアレイは各々、別々にシリコン（Ｓｉ）バックプレーン又はイメージャウェーハに直接又はハイブリッド接合される。これらのスタックは、その後、赤、緑、青の単色イメージャを形成するためにシンギュレーションすることができ、これらのイメージャは、マルチカラー画像を形成するために組み合わせることができる。別の例では、赤、緑、及び青のＬＥＤウェーハは、別個にシンギュレーションされてＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤチップを形成し、１つのシリコンバックプレーン又はイメージャに直接接合することができる。シリコンバックプレーン内の要素は、Ｒ、Ｇ、Ｂチップ内のＬＥＤピクセルに電気的に接続され、ピクセルレベルの制御を実現することができる。ＬＥＤウェーハは、シリコンバックプレーンに直接又はハイブリッド接合することができるが、他の何れかの適切なバックプレーン（例えば、Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、又はＴＦＴ）バックプレーンを使用することも可能である。幾つかの実施形態では、本明細書で説明するように、光学組立体は、少なくとも１つの赤色ＬＥＤチップ、少なくとも１つの緑色ＬＥＤチップ、及び少なくとも１つの青色ＬＥＤチップを備えることができる。幾つかの実施形態では、光学システムは、画像データをユーザに配向するために、複数のこのような光学組立体の複数体又はアレイを備えることができる。
幾つかの実施形態では、単色画像領域は、互いに平行に配向させることができる。例えば、幾つかの実施形態では、画像領域は、導波路上に横方向に並んで配置することができる。画像領域からの光は、導波路に結合することができ、導波路は、複数の色の重ね合わせ画像をユーザに送信することができる。他の実施形態では、画像領域は、互いに非平行に（例えば、互いに垂直に）配置することができ、コンバイナ光学系は、複数の色の重畳された画像をユーザに伝送するために設けることができる。
図４は、一実施形態による、組み合わされた光学デバイス（例えば、単色エミッタチップ）の光学組立体の概略側断面図である。光学組立体４００は、対応する複数のキャリア素子４０４ａ～ｃ（例えば、シリコンベースのバックプレーンなど）に直接接合された複数の光学素子４０２ａ～ｃ（例えば、単色ＬＥＤチップなど）により形成された複数の光学デバイス４００ａ～ｃを含む。光学組立体４００は、リダイレクション要素又はミラーリング装置４０６ａ－ｂ（例えば、ミラー、ビームスプリッタ又は他の適切な光学リダイレクションデバイス）及び光学コンバイナ装置４０８（例えば、レンズ）として含むことが可能である。
一実施形態では、光学デバイス４００ａ～ｃ（光学素子４０２ａ～ｃ（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ用の単色ＬＥＤチップ）を含む）を対応するキャリア素子４０４ａ～ｃ（例えば、シリコンバックプレーン）と組み合わせて、カラー画像又はカラー画像の一部を形成することが可能である。すなわち、例えばＲＧＢマイクロＬＥＤディスプレイの代わりに、図４に示すように、別個の単色ＬＥＤチップを組み合わせることができる。使用される３つのディスプレイでは、数百万ピクセルのギャングボンディングのような問題はない。複数の光学組立体４００は、様々な光学システムにおいてアレイ状に組み込むことができる。
一実施構成では、接合型光学デバイス４００ａ－ｃは、互いに対して角度をつけて配向することができる。例えば、光学素子４０２ａ－ｃは、互いにほぼ垂直とすることができる。別の実施構成では、光学素子４０２ａ～ｃは、互いに対して９０°より大きいか又は小さい所定の角度を形成することができる。光学デバイス４００ａ～ｃは各々、フレーム又は他の構造体（図示せず）に取り付けられて、１又は２以上のミラーリング装置４０６ａ～ｂ（例えば、光を向け直すためのビームスプリッタとすることができる）に対して整列することができる。図４に示すように、ミラーリング装置４０６ａ－ｂは、各光学素子４０２ａ－ｃからの色付き光を重ね合わせるように、共通のチャネルに沿って光学素子４０２ａ－ｃからの光を向け直すことができる。各光学素子４０２ａ～ｃからの光は、様々な色の重畳光を生成するように、例えばキャリア素子４０４ａ～ｃの回路を介した制御に基づいて変えることができる。各光学素子４０２ａ～ｃからの光の画像データは、光学コンバイナ装置４０８（例えば、レンズ）を通過して光を集め、これをユーザに転送することができる。
一実施態様では、ハイブリッド直接接合（ＤＢＩ（登録商標）など）を実装してキャリア素子４０４ａ～ｃ（例えば、ＣＭＯＳ回路）を接合し、ディスプレイのサイズに基づく大型Ｒ、Ｇ、Ｂチップなどの光学素子４０２ａ～ｃとおよそ５μｍピッチで各ピクセル／ダイオードを制御することができる。
別の実施構成では、キャリア素子４０４ａ－ｃによって駆動される光学素子４０２ａ－ｃによって生成されるような色を用いて、光学コンバイナ装置４０８によって（湾曲したコンバイナ又は導波路を介するなど）ユーザの目に画像又は画像の一部を送達することが可能である。
他の実施構成では、アプリケーションに基づいて、Ｄ２Ｄ、Ｗ２Ｗ又はＤ２Ｗ接合を使用することができる。
図５は、別の実施態様による、組み合わされた光学素子を含む光学組立体の概略側断面図である。光学組立体５００は、個々の光学素子５０２ａ～ｃ（例えば、光学ウェーハなど）及びキャリア素子５０４ａ～ｃ、並びにミラーリング装置５０６ａ～ｃ及び光コンバイナ装置５０８を含む。
図示のように、個々の光学素子（例えばＲ、Ｇ、Ｂウェーハなど）５０２ａ～ｃをキャリア素子５０４ａ～ｃ上にスタックしてシンギュレーションし、例えば５ｍｍ×８ｍｍのサイズの単色ディスプレイチップなどの３つの大型光学デバイスを形成することが可能である。
一実施形態では、光学素子５０２ａ～ｃは、横並びに配置することができる。幾つかの実施形態では、光学素子５０２ａ－ｃは、共通キャリア（図示せず）上に装着することができる。他の実施形態では、光学素子５０２ａ～５０２ｃは、光学デバイス５００ａ～ｃを形成するために、別個のキャリア素子５０４ａ～ｃ上に装着することができる。
一実施構成では、光学デバイス５００ａ～ｃは、所定量だけ横方向にオフセットされるように配置（例えば、フレーム又は構造体上に装着）することができる。このような配置では、光学素子５０２ａ～ｃは、少なくとも１つのキャリア素子５０４ａ～ｃの主要面に平行な方向に沿って、所定距離だけ互いに横方向にオフセットされる。ここで、発光面はまた、互いに平行とすることができる。別の実施構成では、発光面は互いに平行でない場合があり、互いに相対的に角度付きとすることができる。
図示のように、各光学素子５０２ａ～ｃからの光は、対応するミラーリング装置５０６ａ～ｃによって向け直されて、画像データを重畳することができ、これは、光コンバイナ装置５０８（例えば、レンズなどのコンバイナ光学系）を介して収集されて種々の色を生成することができる。また、各光学素子５０２ａ～ｃからの光をキャリア素子５０４ａ～ｃを介した制御に基づいて変化させ、各光学素子５０２ａ～ｃからの各色をどれだけ発光させて組み合わせるかに基づいて異なる色を生成することができる。
図６は、光学デバイス内のピクセル間の物理的な分離を説明するための図である。複数のピクセル６０２ａ～ｃ、複数のライトガイド６０４、複数の物理的分離部６０６、キャリア素子６０８、光学素子６１０、キャリア素子６０８と光学素子６１０の間の接合界面６１２、複数のエミッタ６１４（発光領域）、キャリア素子６０８と光学素子６１０の複数のコンタクトパッド６１６を含む。光は、エミッタ６１４の発光面から出射され、図示のようにピクセル領域を伝搬することができる。
様々な実施形態において、各ピクセル６０２ａ～ｃ（例えば、単色画像領域）は、光学素子６１０の隣接する領域間のクロストークを制限するように構成された１又は２以上の光学物理アイソレーション又はピクセルアイソレーション構造を備えることができる。例えば、アイソレーション構造は、光学素子６１０の少なくとも一部を貫通して形成されたトレンチを備えることができる。アイソレーション構造は、裏面照射型イメージセンサに実装されるディープトレンチアイソレーション構造と同様であってよい。
図示されるように、一実施形態では、チップなどの光学素子６１０内のピクセル６０２ａ～ｃ間の物理的分離部６０６は、集積マイクロＬＥＤアレイのためのディープトレンチアイソレーションフィーチャを備えることができる。このようなディープトレンチアイソレーションフィーチャは、１つのピクセルによって受信された光が別のピクセルに入るのを防ぐことができ、マイクロＬＥＤはまた、１つのダイオード／ピクセルによって発生した光６０４が、例えば物理的分離部６０６に基づいて、隣接するピクセル／ダイオードに内部散乱しないように作製することができる。このような個別に制御可能なピクセル６０２ａ～ｃに基づいて、例えば１つのピクセル６０２ｃからエミッタ６１４（単一の所定の色の光を放射し、ピクセル６０２ａ～ｃの少なくとも一部を構成又は定めるように構成することができる）を介して放射された光は、物理的分離部６０６によって隣接ピクセル６０２ｂから物理的に分離されている。
図７Ａ及び図７Ｂは、物理的分離が異なる実施形態を示す図である。図７Ａは、全てのピクセル７０４間の物理的分離７０２の例証を示す概略図であり、図７Ｂは、ピクセル７１０のＡ×Ａマトリックス（例えば、２×２、３×３等）７０８のみにおける物理的分離７０６の説明図である。図７Ｂの実施形態は、物理的分離が個々のピクセル７１０ではなくＡ×Ａマトリックス７０８の間にあるので、１つの（１）誤動作ピクセルは、例えば、放射される光に対して問題にならず、高い歩留まりを生成することが可能である。このような実施形態はまた、例えば、放射される光の輝度の改善された制御を可能にすることができる。プロセッサエレメント（例えば、ＣＭＯＳ又はＳｉバックプレーン）は、マトリックス７０８が複数の小さなピクセル７１０を含むディスプレイの１つの大型ピクセルとして機能できるように、輝度を制御するためにマトリックス７０８から選択した数のピクセルをＯＮ又はＯＦＦ制御することが可能である。従って、様々な実施形態において、プロセッサエレメントは、マトリックス７０８の一部としてピクセル７１０を独立して制御して、所望の画像データを作成することができ、ここでは、マトリックス７０８がより大きなピクセルとして機能し、ピクセル７１０がサブピクセルとして機能することができる。これに応じて、光学素子内のピクセル７１０は、ピクセルのマトリックスに分割することができ、プロセッサエレメントは、これに応じて、各マトリックス内のピクセルの輝度を選択的に制御するように構成することができる。様々な実施形態において、アイソレーションフィーチャは、ピクセル７１０の隣接するマトリックス７０８間を光学的に分離する（例えば、クロストークを防止する）ように構成することができる。幾つかの実施形態では、マトリックス７０８内の隣接するピクセル７１０は、アイソレーションフィーチャによって分離されない場合もある。他の実施形態では、隣接するピクセル７１０は、アイソレーションフィーチャによって分離することができる。
図８は、導波路に光を導くように構成された光学システム８００を示す概略図である。光学システム８００は、入力カップリング８０２、導波路８０４、及び出力カップリング８０６を含む。
一実施構成では、本明細書に記載される複合ＬＥＤ－ＣＭＯＳ構造の光学組立体（単色マイクロＬＥＤディスプレイを含む）などの光学組立体４００及び／又は５００は、別個のユニットとして取り付けることができ、又は直接的な側方又は角度構成で導波路８０４上に（例えば、複数の入力カップリング８０２を介して）直接取り付けることも可能である。１又は２以上の実施構成において、これは、例えばプロジェクタ（投影システム）、車載ＨＵＤ、スマートウォッチディスプレイ、及び携帯電話ディスプレイにおいて実装することができ、これらは、画像データをユーザの目１０２に送信するのに使用される複数の出力カップリング８０６を含む。
図９及び図１０は、入力及び出力カップリングを有する導波路９０６、１００６に直接接合されたマイクロＬＥＤのような光学デバイスを示す概略図である。デバイスは各々、入力カップリング（それぞれ９０４及び１００４）で導波路９０６、１００６に、及び出力カップリング（それぞれ９０８及び１００８）でユーザに光を結合するように構成された光学組立体９０２、１００２（例として図２～３に関して本明細書に詳細に記載されている）を含む。幾つかの実施構成（例えば、図９）において、接合型光学デバイス（例えば、組立体９０２）は、介在する接着剤なしで導波路９０６に直接接合し、光学デバイスを導波路９０６に機械的及び光学的に結合することができる。他の実施形態では、光学組立体は、導波路に接続するフレーム又は他の構造体に取り付けることができる。
入力カップリング９０４、１００４は、光学組立体９０２、１００２からの画像データが導波路９０６、１００６（例えば誘電材料製）に入ることを可能にし、これを用いて、例えば全内部反射（ＴＩＲ）により導波路９０６、１００６を通って進む光（例えばエミッタの対応するアレイを介して光学組立体９０２、１００２から放射される重畳光を含む）を介して画像データを出力カップリング９０８、１００８を介してユーザの目１０２に伝達する。
一実施形態では、図１０に示すように、光学装置１０１０（例えばプリズムなど）を使用して、光学組立体１００２から送信された光を向け直し、光が導波路１００６を通って移動できるようにすることができる。幾つかの実施形態では、光学組立体１００２は、導波路１００６に対して角度が付けられた別の構造体に取り付けることができ、光は、図示のように、ミラー及びコンバイナ光学系によって光学装置１０１０に向け直すことができる。
図１１は、３色ピクセルの重ね合わせの例証を示す概略図である。これは、複数のピクセル１１０６を含む複数の光学素子（例えば、ＬＥＤダイ（Ｒ，Ｇ，Ｂ））１１０２ａ～ｃ、キャリア素子１１０４、複数の光結合素子１１０８（例えば、レンズ）、複数の接続導波路１１１０、複数のミラーリング装置１１１２ａ～ｃ、光コンバイナ装置１１１４、及び導波路１１１６を含む。
一実施形態では、複数の光学素子１１０２ａ～ｃは、複数のエミッタ（図示せず）を介して、単色光を放射することができ、この単色光は、対応する光結合素子１１０８及び接続導波路１１１０を通って移動し、対応するミラーリング装置１１１２ａ～ｃにより反射することができる。図示のように、複数の光学素子１１０２ａ～ｃは、キャリア素子１１０４と導波路１１１６との間に配置することができる。光学素子１１０２ａ～ｃは、介在する接着剤なしで、キャリア素子１１０４に直接接合することができる。更に、ミラーリング装置１１１２ａ～ｃは、光コンバイナ装置１１１４及び導波路１１１６を通る入射光をユーザの目（図示せず）に向けるように、接続導波路１１１０に対して角度を付けて配置することができる。
一実施形態では、キャリア素子１１０４は、シリコン／ガラスキャリア、又は別の実施形態では、ピクセル１１０６及び光学素子（例えばＬＥＤダイなど）１１０２ａ～ｃを駆動するアクティブシリコンダイである。幾つかの実施形態では、光学素子は、介在する接着剤なしで、導波路、例えば接続導波路１１１０に直接接合することができる。他の実施形態では、光学素子は、透明な接着剤で導波路に取り付けることができる。
このように、様々な実施形態において、接合型光学デバイスが開示される。接合型光学デバイスは、第１の色の光を放射するように構成された光エミッタの第１のアレイを有する第１の光学素子を含むことができる。第１の光学素子は、少なくとも１つのプロセッサエレメントに接合することができ、少なくとも１つのプロセッサエレメントは、第１の光学素子の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を含む。接合された光学素子は、第１の色とは異なる第２の色の光を放射するように構成された光エミッタの第２のアレイを有する第２の光学素子を含むことができる。第２の光学素子は、少なくとも１つのプロセッサエレメントに接合することができる。少なくとも１つのプロセッサエレメントは、第２の光学素子の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を含むことができる。接合型光学デバイスは、第１及び第２の光学素子と光学的に結合された光路を含むことができ、光路は、第１及び第２の光エミッタからの光の重ね合わせを、ユーザによって見られる光出力に伝送するように構成される。
幾つかの実施形態では、第１の光学素子は、介在する接着剤なしで少なくとも１つのプロセッサエレメントに直接接合され、第２の光学素子は、介在する接着剤なしで少なくとも１つのプロセッサエレメントに直接接合される。第１の光学素子と少なくとも１つのプロセッサエレメントのそれぞれの誘電体接合面は、介在する接着剤なしで、互いに直接的に接合することができる。第１の光学素子と少なくとも１つのプロセッサエレメントの対応する導電性コンタクトパッドは、介在する接着剤なしで、互いに直接的に接合することができる。光エミッタの第１及び第２のアレイの各光エミッタは、少なくとも１つのプロセッサエレメント上の対応するドライバ回路に電気的に接続することができる。
幾つかの実施形態では、光エミッタの第１のアレイの第１の光エミッタ及び光エミッタの第２のアレイの第２の光エミッタは、少なくとも部分的にピクセルを定め、光路は、ピクセルの第１及び第２の光エミッタからの光の重ね合わせを伝送するように構成することができる。少なくとも１つのプロセッサエレメントは、第１のプロセッサエレメントと、第１のプロセッサエレメントとは別の第２のプロセッサエレメントとを含むことができる。第１の光学素子は、第１のプロセッサエレメントに接合されることができ、第２の光学素子は、第２のプロセッサエレメントに接合することができる。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのプロセッサエレメントは、共通キャリアを備える。
様々な実施形態において、光路は、光導波路を備える。第１の光学素子は、光導波路と第１のプロセッサエレメントとの間に配置することができる。第２の光学素子は、光導波路と第２のプロセッサエレメントとの間に配置することができる。幾つかの実施形態では、第１及び第２の光学素子は、介在する接着剤なしで光導波路に直接接合される。幾つかの実施形態では、第１及び第２の光学素子は、それぞれの光の第１及び第２の色に対して透明な１又は２以上の接着剤で接合される。
幾つかの実施形態において、第１及び第２の光学素子は、少なくとも１つのプロセッサエレメントの主要面に平行な方向に沿って、互いに横方向にオフセットすることができる。幾つかの実施形態では、第１及び第２の光学素子のそれぞれの発光面は、互いに略平行とすることができる。幾つかの実施形態では、第１及び第２の光学素子のそれぞれの放射面は、互いに非平行に配置することができる。
接合型光学デバイスは、第１の光学素子に１又は複数の光アイソレーション構造を含むことができる。光アイソレーション構造は、隣接する光エミッタの間のクロストークを制限するように構成することができる。
幾つかの実施形態では、第１の色は、第１の波長において第１のピークを有し、第２の色は、第２の波長において第２のピークを有する。第１波長と第２波長との間の差は、少なくとも２５ｎｍとすることができる。従って、様々な実施形態において、波長は、光学素子によって放射される色が互いに区別できるような十分な量だけ分離することができる。幾つかの実施形態では、光路は、第１及び第２の画像領域から光を向け直すための１つ以上のリダイレクト要素（例えば、ミラー、ビームスプリッタなど）を含むことができる。幾つかの実施形態では、光路は、重畳された光に作用するように構成されたレンズを含む。
接合型光学デバイスは、光路と光学的に結合され且つ少なくとも１つのプロセッサエレメントに接合された第３の光学素子を含むことができる。第３の光学素子は、第１及び第２の色とは異なる第３の色の光を放射するように構成することができる。第１、第２、及び第３の色は、それぞれ、赤、緑、及び青を含むことができる。様々な実施形態において、第１のアレイの光エミッタは、独立して制御可能である。光エミッタの第１及び第２のアレイは、発光ダイオード（ＬＥＤ）のそれぞれのアレイを備えることができる。第１のアレイの光エミッタのピッチは、５０ミクロン未満とすることができる。第１のアレイの光エミッタのピッチは、１０ミクロン未満とすることができる。
別の実施形態では、接合型光学デバイスが開示される。接合型光学デバイスは、接着剤なしで少なくとも１つのキャリアに直接接合された第１の光学素子を含むことができ、第１の光学素子は、第１の色の光を放射するように構成される。接合型光学デバイスは、接着剤なしで少なくとも１つのキャリアに直接接合された第２の光学素子を含むことができる。第２の光学素子は、第１の色とは異なる第２の色の光を放射するように構成することができる。第１及び第２の光学素子は、少なくとも１つのキャリアの主要面に平行な方向に沿って、互いに横方向にオフセットすることができる。接合型光学デバイスは、第１及び第２の光学素子と光学的に結合された光路を含むことができ、光路は、第１及び第２の光学素子からの光の重ね合わせをユーザによって見られる光出力に伝送するように構成される。
幾つかの実施形態では、少なくとも１つのキャリアは、第１のキャリアと、第１のキャリアとは別の第２のキャリアと、を備える。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのキャリアは、第１及び第２の光学素子の少なくとも一方の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を含む少なくとも１つのプロセッサエレメントを備える。幾つかの実施形態では、第１の光学素子は、介在する接着剤なしで少なくとも１つのキャリアに直接接合することができ、第２の光学素子は、介在する接着剤なしで少なくとも１つのキャリアに直接接合することができる。幾つかの実施形態では、第１の光学素子及び少なくとも１つのキャリアのそれぞれの誘電体接合面は、介在する接着剤なしで、互いに直接接合される。幾つかの実施形態では、第１の光学素子及び少なくとも１つのキャリアのそれぞれの導電性コンタクトパッドは、介在する接着剤なしで、互いに直接的に接着される。様々な実施形態において、少なくとも１つのキャリアは、シリコン又はガラスの少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのキャリアは、７ｐｐｍ未満の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。
幾つかの実施形態では、光路は、光導波路を備えることができる。幾つかの実施形態において、第３の光学素子は、光学経路と光学的に結合することができる。第３の光学素子は、接着剤なしで少なくとも１つのキャリアに直接接合することができる。第３の光学素子は、第１及び第２の色とは異なる第３の色の光を放射するように構成することができる。
幾つかの実施形態では、第１、第２、及び第３の色は、それぞれ、赤、緑、及び青を含む。第１及び第２の光学素子は、光エミッタのそれぞれのアレイを備えることができる。光エミッタは、独立して制御可能とすることができる。光エミッタは、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えることができる。
別の実施形態では、少なくとも１つの光学素子を少なくとも１つのプロセッサエレメントと接合する方法が開示される。本方法は、第１の光学素子を、少なくとも１つのプロセッサエレメントに接合するステップであって、第１の光学素子は、第１の色の光を放射するように構成された光学エミッタの第１のアレイを備え、少なくとも１つのプロセッサエレメントは、第１の光学素子の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を備える、ステップと、第２の光学素子を少なくとも１つのプロセッサエレメントに接合するステップであって、第２の光学素子は、第１の色とは異なる第２の色の光を放射するように構成された光エミッタの第２のアレイを備え、少なくとも１つのプロセッサエレメントは、第２の光学素子の動作を制御するように更に構成されたアクティブ回路を備える、ステップと、第１及び第２の光学素子を光路に接合するステップであって、光路は、第１及び第２の光エミッタからの光の重畳をユーザによって見られる光出力に伝達するように構成されている、ステップと、を含むことができる。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのキャリアは、プロセッサダイを備える。
特定の実施形態及び実施例の関連で開示されているが、本発明は、具体的に開示された実施形態を超えて、他の代替の実施形態及び／又は使用並びにその明らかな修正及び等価物にまで及ぶことが当業者には理解されるであろう。更に、特に断らない限り、図示の構成要素は、１又は２以上の異なる図示の同番号の構成要素と同じか、又はほぼ類似することができる。更に、幾つかの変形例を示し、詳細に説明したが、本開示の範囲内である他の修正は、本開示に基づいて当業者には容易に明らかになるであろう。また、実施形態の特定の特徴及び態様の様々な組み合わせ又は下位の組み合わせを行うことができ、これらは依然として本開示の範囲内にあることが企図される。開示された発明の様々な態様を形成するために、開示された実施形態の様々な特徴及び態様を互いに組み合わせ、又は置換できることを理解されたい。従って、本明細書で開示される本発明の範囲は、上述の特定の開示された実施形態によって限定されるべきではなく、以下の態様の公正な解釈によってのみ定められるべきであると意図している。
６０２ａ～ｃ ピクセル
６０４ ライトガイド
６０６ 物理的分離部
６０８ キャリア素子
６１０ 光学素子
６１２ キャリア素子
６１４ エミッタ
６１６ コンタクトパッド

Claims (41)

  1. 接合型光学デバイスであって、
    第１の色の光を放射するように構成された光エミッタの第１のアレイを有する第１の光学素子であって、前記第１の光学素子は、介在する接着剤なしで少なくとも１つのプロセッサエレメントに直接接合され、前記少なくとも１つのプロセッサエレメントは、前記第１の光学素子の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を含む、第１の光学素子と、
    前記第１の色とは異なる第２の色の光を放射するように構成された光エミッタの第２のアレイを有する第２の光学素子であって、前記第２の光学素子は、介在する接着剤なしで少なくとも１つのプロセッサエレメントに直接接合され、前記少なくとも１つのプロセッサエレメントは、前記第２の光学素子の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を含む、第２の光学素子と、
    前記第１及び第２の光学素子と光学的に結合された光路であって、前記第１及び第２の光エミッタからの光の重ね合わせを、ユーザによって見られる光出力に伝達するように構成された光路と、
    を備える、接合型光学デバイス。
  2. 前記第１の光学素子と前記少なくとも１つのプロセッサエレメントとのそれぞれの誘電体接合面は、介在する接着剤なしで互いに直接接合されている、請求項１に記載の接合型光学デバイス。
  3. 前記第１の光学素子と前記少なくとも１つのプロセッサエレメントとのそれぞれの導電性コンタクトパッドが、介在する接着剤なしで直接接合されて互いに電気的に接続されている、請求項２に記載の接合型光学デバイス。
  4. 前記光エミッタの第１及び第２のアレイの各光エミッタが、前記少なくとも１つのプロセッサエレメント上の対応するドライバ回路に電気的に接続されている、請求項３に記載の接合型光学デバイス。
  5. 前記光エミッタの第１のアレイの第１の光エミッタ及び前記光エミッタの第２のアレイの第２の光エミッタは、少なくとも部分的にピクセルを定め、前記光路は、前記ピクセルの前記第１及び第２の光エミッタからの光の重畳を伝送するように構成される、請求項１～４の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  6. 前記少なくとも１つのプロセッサエレメントは、第１のプロセッサエレメントと、前記第１のプロセッサエレメントとは別の第２のプロセッサエレメントとを備え、前記第１の光学素子が前記第１のプロセッサエレメントに接合され、前記第２の光学素子が前記第２のプロセッサエレメントに接合される、請求項１～５の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  7. 前記少なくとも１つのプロセッサエレメントは、共通キャリアを備える、請求項１～５の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  8. 前記光路は光導波路を含み、前記第１の光学素子が前記光導波路と第１の前記プロセッサエレメントとの間に配置され、前記第２の光学素子が前記光導波路と第２の前記プロセッサエレメントとの間に配置されている、請求項１～７の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  9. 前記第１及び第２の光学素子は、介在する接着剤なしで前記光導波路に直接接合されている、請求項８に記載の接合型光学デバイス。
  10. 前記第１及び第２の光学素子は、前記第１及び第２の色の光それぞれに対して透明な１又は２以上の接着剤で接合されている、請求項８に記載の接合型光学デバイス。
  11. 前記第１及び第２の光学素子は、前記少なくとも１つのプロセッサエレメントの主要面に平行な方向に沿って互いに横方向にオフセットされており、前記第１及び第２の光学素子のそれぞれの発光面が互いに略平行である、請求項１～１０の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  12. 前記第１及び第２の光学素子のそれぞれの発光面は、互いに非平行に配置されている、請求項１～１０の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  13. 前記第１の光学素子内に１又は複数の光アイソレーション構造を更に備え、前記光アイソレーション構造は、隣接する光エミッタ間のクロストークを制限するように構成されている、請求項１～１２の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  14. 前記第１の色は、第１の波長において第１のピークを有し、前記第２の色は、第２の波長において第２のピークを有し、前記第１及び第２の波長間の差は、少なくとも２５ｎｍである、請求項１～１３の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  15. 前記光路は、前記第１及び第２の画像領域からの光を向け直す１又は２以上のリダイレクト素子を備える、請求項１～１４の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  16. 前記光路は、前記重畳された光に作用するように構成されたレンズを備える、請求項１～１５の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  17. 前記光路と光学的に結合され且つ前記少なくとも１つのプロセッサエレメントに接合された第３の光学素子を更に備え、前記第３の光学素子は、前記第１及び第２の色とは異なる第３の色の光を放射するように構成されている、請求項１～１６の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  18. 前記第１、第２、及び第３の色は、それぞれ、赤、緑、及び青を含む、請求項１７に記載の接合型光学デバイス。
  19. 前記第１のアレイの光エミッタは、独立して制御可能である、請求項１～１８の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  20. 前記光エミッタの第１及び第２のアレイは、発光ダイオード（ＬＥＤ）のそれぞれのアレイを含む、請求項１～１９の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  21. 前記第１のアレイの光エミッタのピッチが、５０ミクロン未満である、請求項１～２０の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  22. 前記第１のアレイの光エミッタのピッチが、１０ミクロン未満である、請求項１～２０の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  23. 前記光エミッタの第１及び第２のアレイの各々は、複数のマトリックスを含み、前記各マトリックスは、複数のピクセルを含み、前記少なくとも１つのプロセッサエレメントは、前記各マトリックス内の前記ピクセルの輝度を選択的に制御するように構成される、請求項１～２２の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  24. 前記ピクセルの隣接するマトリックス間にアイソレーションフィーチャを更に備える、請求項２３に記載の接合型光学デバイス。
  25. 前記第１及び第２の光学素子の各々は、それぞれの単色画像を作成するように構成されている、請求項１～２４の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  26. 接合型光学デバイスであって、
    接着剤なしで少なくとも１つのキャリアに直接接合された第１の光学素子であって、第１の色の光を放射するように構成された第１の光学素子と、
    接着剤なしで少なくとも１つのキャリアに直接接合された第２の光学素子であって、前記第１の色とは異なる第２の色の光を放射するように構成され、前記第１及び第２の光学素子が前記少なくとも１つのキャリアの主要面に平行な方向に沿って互いから横方向にオフセットされている、第２の光学素子と、
    前記第１及び第２の光学素子と光学的に結合された光路であって、前記第１及び第２の光学素子からの光の重ね合わせを、ユーザによって見られる光出力に伝達するように構成された光路と、
    を備える、接合型光学デバイス。
  27. 前記少なくとも１つのキャリアは、第１のキャリアと、前記第１のキャリアとは別の第２のキャリアとを備える、請求項２６に記載の接合型光学デバイス。
  28. 前記少なくとも１つのキャリアは、前記第１及び第２の光学素子の少なくとも一方の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を含む少なくとも１つのプロセッサエレメントを備える、請求項２６又は２７に記載の接合型光学デバイス。
  29. 前記第１の光学素子が、介在する接着剤なしで前記少なくとも１つのキャリアに直接接合され、前記第２の光学素子が、介在する接着剤なしで前記少なくとも１つのキャリアに直接接合される、請求項２６～２８の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  30. 前記第１の光学素子と前記少なくとも１つのキャリアとのそれぞれの誘電体接合面は、介在する接着剤なしで互いに直接接合されている、請求項２９に記載の接合型光学デバイス。
  31. 前記第１の光学素子と前記少なくとも１つのキャリアとのそれぞれの導電性コンタクトパッドが、介在する接着剤なしで互いに直接接合されている、請求項３０に記載の接合型光学デバイス。
  32. 前記少なくとも１つのキャリアは、シリコン又はガラスのうちの少なくとも１つを含む、請求項２６～３１の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  33. 前記少なくとも１つのキャリアが、７ｐｐｍ未満の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する、請求項２６～３２の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  34. 前記光路が光導波路を含む、請求項２６～３３の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  35. 前記光路と光学的に結合された第３の光学素子を更に備え、前記第３の光学素子は、接着剤なしで前記少なくとも１つのキャリアに直接接合され、前記第３の光学素子は、前記第１及び第２の色とは異なる第３の色の光を放射するように構成される、請求項２６～３４の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  36. 前記第１、第２、及び第３の色は、それぞれ、赤、緑、及び青を含む、請求項３５に記載の接合型光学デバイス。
  37. 前記第１及び第２の光学素子は、光エミッタのそれぞれのアレイを含む、請求項２６～３６の何れか１項に記載の接合型光学デバイス。
  38. 前記光エミッタは、独立して制御可能である、請求項３７に記載の接合型光学デバイス。
  39. 前記光エミッタが発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項３７又は３８に記載の接合型光学デバイス。
  40. 少なくとも１つの光学素子と少なくとも１つのプロセッサエレメントとを接合する方法であって、
    第１の光学素子を、介在する接着剤なしに少なくとも１つのプロセッサエレメントに直接接合するステップであって、前記第１の光学素子は、第１の色の光を放射するように構成された光エミッタの第１のアレイを備え、前記少なくとも１つのプロセッサエレメントは、前記第１の光学素子の動作を制御するように構成されたアクティブ回路を備える、前記第１の光学素子を直接接合するステップと、
    第２の光学素子を、介在する接着剤なしに前記少なくとも１つのプロセッサエレメントに直接接合するステップであって、前記第２の光学素子は、前記第１の色とは異なる第２の色の光を放射するように構成された光エミッタの第２のアレイを備え、前記少なくとも１つのプロセッサエレメントは、前記第２の光学素子の動作を制御するように更に構成されたアクティブ回路を備える、前記第２の光学素子を直接接合するステップと、
    前記第１及び第２の光学素子を光路と結合するステップであって、前記光路は、前記第１及び第２の光エミッタからの光の重なりをユーザによって見られる光出力に伝達するように構成されている、前記第１及び第２の光学素子を光路と結合するステップと、
    を含む、方法。
  41. 前記第１の光学素子と前記少なくとも１つのプロセッサエレメントとのそれぞれの誘電体接合面を、介在する接着剤なしで直接接合するステップと、
    前記第１の光学素子と前記少なくとも１つのプロセッサエレメントとのそれぞれの導電性コンタクトパッドを、介在する接着剤なしで直接接合するステップと、
    を更に含む、請求項４０に記載の方法。
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