WO2018172255A1 - Anzeigevorrichtung - Google Patents

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WO2018172255A1
WO2018172255A1 PCT/EP2018/056837 EP2018056837W WO2018172255A1 WO 2018172255 A1 WO2018172255 A1 WO 2018172255A1 EP 2018056837 W EP2018056837 W EP 2018056837W WO 2018172255 A1 WO2018172255 A1 WO 2018172255A1
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WO
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radiation
display device
conversion element
subpixel
spectral range
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PCT/EP2018/056837
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Brick
Hubert Halbritter
Mikko PERÄLÄ
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors Gmbh filed Critical Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority to US16/495,241 priority Critical patent/US11121291B2/en
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    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/507—Wavelength conversion elements the elements being in intimate contact with parts other than the semiconductor body or integrated with parts other than the semiconductor body
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
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    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • the present application relates to a display device, in particular for a 3D display.
  • a display device is indicated.
  • Display device is provided in particular for displaying moving or static images.
  • the display device has a plurality of pixels and at least one
  • each pixel has at least one first subpixel for the generation of radiation in a first spectral range and a second subpixel for the generation of
  • each pixel has a triple of subpixels emitting radiation in the red, green and blue spectral range.
  • the subpixels each have one for generating a
  • each sub-pixel is assigned at least one active region, which can be controlled independently of the remaining active regions.
  • a drive circuit is provided, which is set up for driving the individual subpixels.
  • the active regions of the first subpixels and the second subpixels emit the same or substantially the same primary radiation. That is, apart from manufacturing-related fluctuations is a spectral
  • the active areas of the first subpixels and the active areas of the second subpixels are based on the same semiconductor material. This typically results in the same operating voltages.
  • the electrical control by means of a common
  • At least some of the active areas are included
  • the primary radiation at least partially converts into a secondary radiation. For example, everyone points Pixel for at least one subpixel on a radiation conversion element. The ones from
  • Radiation conversion element radiated radiation is particularly incoherent or at most partially coherent.
  • the radiation conversion element is not located in a resonator.
  • the radiation conversion element radiates the
  • Radiation conversion element itself ie already without a downstream optical element, radiates at right angles, in particular due to the physical process underlying the radiation conversion.
  • the radiation conversion element at least partially receives a directionality of the incident primary radiation. In other words, a directional impact causes
  • Primary radiation due to the radiation conversion underlying physical process at least partially directed radiation of secondary radiation.
  • a narrow-angle radiation is understood to mean an emission which radiates to a smaller projected solid angle than a Lambert surface radiator.
  • a Lambert surface radiator radiates into a half-space, so that the projected solid angle is ⁇ .
  • the radiation conversion element radiates into a projected solid angle of at most ⁇ / 2. It has been shown that in particular a
  • Radiation conversion element is suitable, in which the
  • non-linear optical process a process in which the incident electric field of the primary radiation in the radiation conversion element causes a polarization, which no longer behaves purely linear to the electric field.
  • materials whose electronic ground state has an anharmonic potential are suitable. Driven by an electric field can be higher harmonics
  • a non-linear optical process can be used, which leads to a conversion of the exciting primary radiation.
  • Such processes include, for example, two-photon absorption, one
  • Two-photon absorption particularly includes a
  • Radiation conversion element by spontaneous or stimulated emission emit secondary radiation of a wavelength which is shorter than the radiation of the exciting radiation
  • the display device can be realized in which the secondary radiation is generated with a low etendue. Due to the low etendue, the radiation emitted by the radiation conversion element can be further processed in a simplified manner. For example, a highly efficient illumination of a field of view of the display device can be realized with a particularly compact design. In addition, there is improved cost efficiency, since a highly efficient illumination of the field of view can be achieved by smaller light sources and optical elements.
  • the display device has a plurality of pixels and at least one optoelectronic semiconductor component. Each pixel has at least a first one Subpixel for the generation of radiation in a first spectral range and a second subpixel for the
  • the subpixels are each one for generating a primary radiation
  • the primary radiation at least partially converts into a secondary radiation
  • each pixel has at least two further subpixels, the subpixels comprising the radiation during operation of the display device along a first emission direction and the further subpixels along a second emission
  • Blend emission direction The first emission direction and the second emission direction are different from each other and run, for example, obliquely to each other.
  • each pixel represents a color triad that radiates along the first emission direction and another color triad that radiates along the second emission direction
  • the active regions emit during operation of the
  • the active region is part of a semiconductor laser, such as a surface emitting
  • the active regions emit primary radiation in the infrared spectral range.
  • the active areas are for example for the generation of radiation in the infrared spectral range
  • the radiation conversion element emits secondary radiation which has radiation in the first and in the second spectral range.
  • the radiation conversion element thus radiates spectrally broadband, for example with a full half width of the secondary radiation of at least 100 nm, for example at least 200 nm.
  • the radiation emitted by the radiation conversion element appears white to the human eye. For example, that is
  • Radiation conversion element a uniformly formed in the lateral direction radiation conversion element. This means that the peak wavelength of the secondary radiation is independent of which lateral position the
  • the laterally uniform radiation conversion element covers both a first subpixel and a second subpixel.
  • the radiation conversion element is in
  • the radiation conversion element has over the first
  • the radiation conversion element has a plurality of segments, wherein first segments emit secondary radiation in the first spectral range and second segments emit secondary radiation in the second spectral range.
  • Subordinate filter element for generating different spectral emission ranges can be dispensed with.
  • a filter element may additionally be provided, for example if the secondary radiation generated by the respective segment is spectrally wider than for the latter
  • the radiation conversion element radiates the
  • the radiation emitted by the radiation conversion element is thus at an angle to an increased degree and is characterized by a simplified
  • Radiation conversion element arranged a first optical element.
  • the first optical element is particularly intended for that of the individual active areas
  • the primary radiation hits at least approximately as a parallel beam on the radiation conversion element.
  • the display device has a second optical element, wherein the radiation conversion element in the beam path between the active region and the second optical
  • the second optical element is provided in particular for the field of view of
  • first optical element and second optical element merely serve to simplify the differentiation of these elements.
  • second optical element does not imply that necessarily also a first optical element is present. Rather, the second optical element may also be the only optical element of the display device. Accordingly, the first optical element, the only optical element of
  • the first optical element and / or the second optical component are identical to each other.
  • Element may in particular be a diffractive optical
  • the second optical element is a diffractive optical element.
  • a diffractive optical element particularly low heights can be achieved.
  • a diffractive element is particularly suitable to those of the
  • the display device offers a particularly compact and cost-effective display device for the 3D display of images.
  • at least two of the active areas are in one
  • At least all active areas for a pixel in a semiconductor device such as a
  • Integrated semiconductor chip For example, the active areas start in the production of the semiconductor chip
  • the active areas differ in terms of the
  • the semiconductor component has a plurality of
  • the active areas are arranged, for example, next to each other in matrix form.
  • the active regions can each form part of a surface-emitting laser with a vertical cavity
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • an additional redundant active area is assigned to at least one subpixel.
  • everyone is a subpixel
  • Subpixel assigned an additional redundant active area.
  • the redundant active area is for it
  • the active area and the associated redundant active area are electrically connected in parallel with each other.
  • identification and deactivation of failed active areas can take place during production or during operation of the display device. A failure of an active one
  • So area can be compensated by the assigned redundant active area and does not require so
  • Display device in the manufacture or replacement of the entire display device in operation.
  • each pixel has at least two further subpixels, wherein the display device has a second optical
  • the radiation conversion element is arranged in the beam path between the active region and the second optical element.
  • the second optical element directs radiation of the first and second subpixel in a first emission direction and radiation of the other two
  • a 3D representation of an image is thus possible in a particularly simple and compact manner.
  • Figures 1A and 1B an embodiment of a display device in a schematic sectional view ( Figure 1A) and in plan view ( Figure 1B).
  • Figures 2A and 2B an embodiment of a display device in a schematic sectional view ( Figure 2A) and in plan view ( Figure 2B);
  • Figures 3A and 3B show an embodiment of a display device in schematic sectional view ( Figure 3A) and in plan view ( Figure 3B).
  • Figures 4 and 5 each show an embodiment of a display device in a schematic sectional view.
  • Display device has a plurality of such pixels, which are formed, for example, in a two-dimensional arrangement, such as a matrix, side by side.
  • the number of pixels can be varied within wide limits and is for example at least 100, at least 10,000 or at least 1,000,000.
  • the pixel 1 has a first subpixel 21
  • Subpixel 23 for generating radiation in a third spectral range 923 is each different in pairs. For example, each pixel forms a color triple with radiation in the red, green and blue spectral range. However, a pixel may also have more or less than three subpixels.
  • each pixel additionally has one
  • the first subpixel 21, the second subpixel 22, and the third subpixel 23 are each one for generation a primary radiation 91 provided active region 70 of a semiconductor device 7 of the display device
  • the semiconductor component 7 has, for example, a semiconductor chip 700 which forms one or more active regions 70.
  • the active regions 70 are followed by a radiation conversion element 5, in particular a common one
  • Radiation conversion element for all subpixels of a pixel 1 or for two or more pixels 1 of
  • the radiation conversion element is provided, for example, that of the active
  • Areas 70 generated primary radiation 91 at least partially convert into a secondary radiation 92.
  • Radiation conversion element radiates the secondary radiation in particular at right angles, for example with a
  • the material for the radiation conversion element 5 is in particular a material in which the primary radiation in the radiation conversion element , based on a non ⁇ linear optical process, causes a radiation conversion.
  • the radiation conversion material comprises semiconductor-based cluster molecules provided with covalently bonded organic ligands.
  • organic ligands can provide delocalized electronic states.
  • the molecules are based on tin sulfide with a diamondoid structure. These have no inversion symmetry due to their tetrahedral structure.
  • this material exhibits a broad emission spectrum in the visible spectral range when excited at a wavelength of 980 nm. In an excitation wavelength range from 725 nm to 1050 nm, the spectral distribution of the generated white light is largely the same. In principle, however, all materials are suitable in which non-linear optical processes, in particular those in the
  • the radiation conversion element 5 is followed by a filter element 6 in the emission direction.
  • the first, second and third subpixels 21, 22, 23 are each a first filter region 61, a second filter region 62
  • the filter areas in each case allow radiation in mutually different spectral ranges of those generated by the radiation conversion element 5
  • the first filter region 61 transmits radiation in the first spectral range 921, for example in the red spectral range, the second filter range 62 radiation in the second spectral range 922, such as radiation in the green spectral range, and the third filter range 63 radiation in the third spectral range 923, such as radiation in the blue spectral range ,
  • the filter element 6 can in particular also block the primary radiation 91, provided that a radiation exit of the primary radiation is not desired. The radiation conversion element thus radiates
  • Spectral range 921, radiation in the second spectral range 922 and radiation in the third spectral range 923 includes.
  • the secondary radiation is spectrally broad enough to contain radiation components in the various spectral regions to be radiated by the subpixels.
  • a full half width of the secondary radiation is for example at least 100 nm, at least 200 nm or at least 300 nm.
  • Radiation conversion element each have a same spectral emission.
  • the radiation conversion element is therefore uniform in terms of its spectral emission characteristic.
  • the radiation conversion element 5 extends continuously over the
  • the active regions 70 emit during operation of the
  • Primary radiation 91 especially in the infrared
  • the peak wavelength of the primary radiation 91 is, for example, between 780 nm inclusive and 980 nm inclusive.
  • Radiation conversion element 5 is optionally arranged a first optical element 41.
  • the optical element may, for example, be a coherent optical element extending over one or more subpixels of a Pixel, over several pixels or even over all
  • Pixels of the display device extends.
  • the manufacture of the display device is thereby simplified.
  • each pixel 1 or each subpixel of a pixel is assigned an optical segment 411 of the first optical element 41.
  • the optical segments 411 of the first optical element are formed by way of example only as plano-convex lenses.
  • another embodiment may be used,
  • the individual optical segments 411 may also be discrete optical
  • the first optical element 41 is in particular for it
  • Radiation conversion element 5 can be increased.
  • Element 42 is arranged.
  • the second optical element 42 has a plurality of
  • Optics segment is assigned.
  • the optical segment 421 of the second optical element 42 is formed in a sectional view by way of example in the form of a prism so that the radiation emitted by the individual subpixels 21, 22, 23 is emitted along a first emission direction 951.
  • the second optical element may also be deviating therefrom, for example as another refractive element, in which a refraction at one or more
  • Boundaries occurs, such as a lens or a
  • Step lens or as a diffractive optical element.
  • a diffractive optical element can radiation in a simple and compact manner in different
  • a refractive optical element is a
  • Structure size for the optical segments in the lateral direction in the example shown, the lateral extent of a prism, for example, at least 10 ym.
  • Optic segments for example, between 0.3 ym inclusive and 3 ym inclusive.
  • the display device can also be designed as a conventional 2D display device.
  • the second optical element 42 is for it
  • the field of view of the display device is provided, the field of view of the display device
  • the subpixels can each have more than one active
  • FIG. 1B Be associated with area 70. This is illustrated in FIG. 1B by way of example for the first subpixel 21 in a plan view of the display device.
  • the active area 70 For example, three additional redundant active areas 75 are assigned to the first subpixel 21.
  • the active area and the associated redundant active areas are electrically connected in parallel to one another and can be driven jointly via a drive circuit.
  • the redundant active areas may continue to emit radiation so that failure of an active area need not result in complete failure of a sub-pixel.
  • Display device can be increased during operation. Redundant active areas can also be used in the following
  • Embodiments find application, even if they are not shown for simplicity of illustration.
  • Display device may be integrated in a common semiconductor chip of the semiconductor device 7.
  • the semiconductor device 7 has a plurality of
  • each active area 70 is part of a vertical cavity surface emitting laser.
  • the active regions 70 of the individual subpixels 21, 22, 23 may each be based on the same semiconductor material.
  • a portion or at least a portion thereof comprises an arsenide compound semiconductor material, preferably Al x In y Gai-x-yAs or consists of this, wherein O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ 1 applies.
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may, for example, have one or more dopants and additional constituents.
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, In, As), even if these can be partially replaced and / or supplemented by small amounts of further substances.
  • the active regions 70 of different sub-pixels are therefore operable with the same forward voltage, such as by means of a drive circuit integrated in the display device or outside the display device
  • FIGS. 2A and 2B essentially corresponds to that in connection with FIGS.
  • FIGS. 1A and 1B wherein FIG. 2A is a sectional view along the line AA 'shown in FIG. 2B. In the plan view of FIG. 2B, only the geometric arrangement of the subpixels is shown for the sake of simplicity.
  • Each pixel 1 has, in addition to subpixels 21, 22, 23, a plurality of further subpixels 31, 32, 33.
  • the further subpixels 31, 32, 33 emit in each case in a second emission direction 952 running obliquely to the first emission direction 951.
  • Subpixel 31 the first subpixel 21, a second further subpixel 32 the second subpixel 22, and a third further subpixel 33 the third subpixel 23.
  • Each pixel thus provides for each of three mutually different spectral components, for example radiation in the red, green and blue spectral range, one subpixel and one further subpixel available in
  • a 3D representation of images can be achieved without the
  • Viewer of the image further aids, such as special glasses needed.
  • FIGS. 3A and 3B essentially corresponds to that in connection with FIGS.
  • FIG. 2A and 2B described embodiment.
  • pixel 1 additionally has a fourth subpixel 24 and a fourth further
  • Subpixel 34 The fourth subpixel 24
  • the fourth further subpixel 34 is in each case for generating radiation in a fourth
  • Spectral range is provided, which is different from the first, second and third spectral ranges.
  • the fourth spectral range is in the visible
  • the fourth spectral range can also be in the infrared spectral range.
  • the primary radiation emitted by the associated active region 70 can also directly, ie without a radiation conversion, in
  • Radiation conversion element 5 emerge from the display device.
  • the radiation component in the fourth spectral region 924 is therefore part of the primary radiation 91.
  • Infrared radiation is particularly suitable, for example, for sensor applications or for night vision applications.
  • the embodiment shown in Figure 4 substantially corresponds to the embodiment described in connection with Figures 1A and 1B.
  • the display device is not formed as a 3D display device but as a 2D display device.
  • the second optical element 42 is therefore not the
  • Radiation conversion element 5 is particularly suitable because, for example, the downstream beam shaping is simplified by the second optical element 42 and the active regions 70 of different sub-pixels 21, 22, 23 based on the same semiconductor material and thus can be operated with the same forward voltage.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 5 essentially corresponds to the exemplary embodiment described in conjunction with FIGS. 1A and 1B.
  • the radiation conversion element 5 has mutually different segments.
  • the segments are each intended to generate secondary radiation in mutually different spectral ranges.
  • radiation conversion materials for the individual segments can be selected independently of one another for an efficient radiation conversion in radiation to be emitted by the respective subpixel.
  • Subpixel 21 is a first segment 51, the second
  • Subpixel 23 a third segment 53 assigned. On a the radiation conversion element 5 downstream
  • a filter element may optionally be additionally provided, for example in order to reduce the spectral width of the secondary radiation emitted by the segments 51, 52, 53.
  • the filter element may optionally be additionally provided, for example in order to reduce the spectral width of the secondary radiation emitted by the segments 51, 52, 53.
  • the filter element may optionally be additionally provided, for example in order to reduce the spectral width of the secondary radiation emitted by the segments 51, 52, 53.
  • Radiation conversion element 5 in the emission further be another downstream filter element 65, the primary radiation 91 in the infrared spectral range for
  • Radiation conversion element and the associated low Etendue efficient beam shaping or beam deflection can be achieved in different radiation directions already with a simple structure of the second optical element.
  • the display device described is therefore characterized, inter alia, by a particularly compact

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Abstract

Es wird eine Anzeigevorrichtung mit einer Mehrzahl von Bildpunkten (1) und mit zumindest einem optoelektronischen Halbleiterbauelement (7) angegeben, wobei - jeder Bildpunkt zumindest einen ersten Subbildpunkt (21) für die Erzeugung von Strahlung in einem ersten Spektralbereich (921) und einen zweiten Subbildpunkt (22) für die Erzeugung von Strahlung in einem vom ersten Spektralbereich verschiedenen zweiten Spektralbereich (922) aufweist; - den ersten und zweiten Subbildpunkten jeweils ein zur Erzeugung einer Primärstrahlung vorgesehener aktiver Bereich (70) des Halbleiterbauelements zugeordnet ist, - zumindest einigen der aktiven Bereiche ein Strahlungskonversionselement (5) nachgeordnet ist, wobei das Strahlungskonversionselement im Betrieb der Anzeigevorrichtung die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandelt und das Strahlungskonversionselement die Sekundärstrahlung engwinklig abstrahlt.

Description

Beschreibung
ANZEIGEVORRICHTUNG Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Anzeigevorrichtung, insbesondere für eine 3D-Darstellung .
Ansätze für die Realisierung von Anzeigevorrichtungen, insbesondere für eine 3D-Darstellung, weisen typischerweise einen komplexen Aufbau auf. Dies betrifft insbesondere das optische System, das eine dreidimensionale Wirkung entstehen lässt .
Eine Aufgabe ist es, eine Anzeigevorrichtung anzugeben, die sich durch einen einfachen Aufbau und eine breite
Einsetzbarkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch eine Anzeigevorrichtung gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und
Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche .
Es wird eine Anzeigevorrichtung angegeben. Die
Anzeigevorrichtung ist insbesondere zur Darstellung bewegter oder statischer Bilder vorgesehen. Die Anzeigevorrichtung weist eine Mehrzahl von Bildpunkten und zumindest ein
optoelektronisches Halbleiterbauelement auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung weist jeder Bildpunkt zumindest einen ersten Subbildpunkt für die Erzeugung von Strahlung in einem ersten Spektralbereich und einen zweiten Subbildpunkt für die Erzeugung von
Strahlung in einem vom ersten Spektralbereich verschiedenen zweiten Spektralbereich aufweist. Beispielsweise weist jeder Bildpunkt ein Tripel von Subbildpunkten auf, die Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich abstrahlen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung ist den Subbildpunkten jeweils ein zur Erzeugung einer
Primärstrahlung vorgesehener aktiver Bereich des
Halbleiterbauelements zugeordnet. Insbesondere ist jedem Subbildpunkt zumindest ein aktiver Bereich zugeordnet, der unabhängig von den übrigen aktiven Bereichen ansteuerbar ist. Zum Beispiel ist in der Anzeigevorrichtung oder außerhalb der Anzeigevorrichtung eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die zur Ansteuerung der einzelnen Subbildpunkte eingerichtet ist.
Beispielsweise emittieren die aktiven Bereiche der ersten Subbildpunkte und der zweiten Subbildpunkte dieselbe oder im Wesentlichen dieselbe Primärstrahlung. Das heißt, abgesehen von fertigungsbedingten Schwankungen ist eine spektrale
Abstrahlung der von den aktiven Bereichen erster
Subbildpunkte und zweiter Subbildpunkte abgestrahlten
Strahlung gleich. Zum Beispiel basieren die aktiven Bereiche der ersten Subbildpunkte und die aktiven Bereiche der zweiten Subbildpunkte auf demselben Halbleitermaterial. Dadurch ergeben sich typischerweise gleiche Betriebsspannungen. Die elektrische Ansteuerung mittels einer gemeinsamen
Ansteuerschaltung ist so vereinfacht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung ist zumindest einigen der aktiven Bereiche ein
Strahlungskonversionselement nachgeordnet, wobei das
Strahlungskonversionselement im Betrieb der
Anzeigevorrichtung die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandelt. Zum Beispiel weist jeder Bildpunkt für mindestens einen Subbildpunkt ein Strahlungskonversionselement auf. Die vom
Strahlungskonversionselement abgestrahlte Strahlung ist insbesondere inkohärent oder höchstens teilkohärent.
Insbesondere befindet sich das Strahlungskonversionselement nicht in einem Resonator.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung strahlt das Strahlungskonversionselement die
Sekundärstrahlung engwinklig ab. Das heißt, das
Strahlungskonversionselement selbst, also bereits ohne ein nachgeordnetes optisches Element, strahlt engwinklig ab, insbesondere aufgrund des der Strahlungskonversion zugrunde liegenden physikalischen Prozesses. Zum Beispiel erhält das Strahlungskonversionselement eine Direktionalität der auftreffenden Primärstrahlung zumindest teilweise. Mit anderen Worten bewirkt eine gerichtet auftreffende
Primärstrahlung aufgrund des der Strahlungskonversion zugrunde liegenden physikalischen Prozesses eine zumindest teilweise gerichtete Abstrahlung von Sekundärstrahlung.
Als eine engwinklige Abstrahlung wird eine Abstrahlung verstanden, die in einen kleineren projizierten Raumwinkel abstrahlt als ein Lambert ' scher Oberflächenstrahler. Ein Lambert ' scher Oberflächenstrahler strahlt in einen Halbraum ab, so dass der projizierte Raumwinkel π beträgt.
Beispielsweise strahlt das Strahlungskonversionselement in einen projizierten Raumwinkel von höchstens π/2 ab . Es hat sich gezeigt, dass sich insbesondere ein
Strahlungskonversionselement eignet, bei dem die
Primärstrahlung im Konversionselement eine Strahlungskonversion in Sekundärstrahlung basierend auf einem nicht-linear optischen Prozess bewirkt.
Als nicht-linear optischer Prozess wird allgemein ein Prozess verstanden, bei dem das auftreffende elektrische Feld der Primärstrahlung in dem Strahlungskonversionselement eine Polarisation bewirkt, welche sich nicht mehr rein linear zum elektrischen Feld verhält. Beispielsweise eignen sich Materialien, deren elektronischer Grundzustand ein anharmonisches Potenzial aufweist. Getrieben durch ein elektrisches Feld können höhere Harmonische
generiert werden. Beispielsweise ist in dem Artikel von N. W. Rosemann in Science, Vol. 352, Iss. 6291, 1301 - 1304 (2016) ein hocheffizienter molekularer Weißlichtemitter beschrieben. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieses Artikels wird hiermit explizit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung
aufgenommen . Alternativ oder ergänzend kann ein nicht-linear optischer Prozess Anwendung finden, der zu einer Aufkonversion der anregenden Primärstrahlung führt. Solche Prozesse beinhalten beispielsweise eine Zweiphotonenabsorption, einen
Querrelaxations-Energietransfer (cross-relaxation energy transfer) oder eine Avalanche-Absorption . Eine
Zweiphotonenabsorption beinhaltet insbesondere eine
Absorption über einen virtuellen Zwischenzustand, eine
Absorption über einen resonanten Zwischenzustand oder eine Absorption über einen nicht-resonanten Zwischenzustand. Derartige nicht-linear optische Prozesse sind im Zusammenhang mit Materialien für Festkörperlaser in dem Buch „Physics of solid-state laser materials" von R. C. Powell, ISBN 1-56396- 658-1 beschrieben. Diesbezüglich wird der gesamte
Offenbarungsgehalt hiermit explizit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Es hat sich gezeigt, dass derartige Prozesse auch für eine Anzeigevorrichtung geeignet sind, auch wenn eine Anzeigevorrichtung im Unterschied zu Lasern nicht auf eine möglichst rein kohärente Abstrahlung abzielt.
Nach einer Aufkonversion kann das
Strahlungskonversionselement durch spontane oder stimulierte Emission Sekundärstrahlung einer Wellenlänge abgeben, die kürzer ist als die Strahlung der anregenden Strahlung
(Primärstrahlung) .
Auf diese Weise kann eine Anzeigevorrichtung realisiert werden, bei der die Sekundärstrahlung mit einer niedrigen Etendue erzeugt wird. Aufgrund der geringen Etendue kann die von dem Strahlungskonversionselement emittierte Strahlung vereinfacht weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann eine hocheffiziente Ausleuchtung eines Blickfelds (field of view) der Anzeigevorrichtung mit einer besonders kompakten Bauform realisiert werden. Zudem ergibt sich eine verbesserte Kosteneffizienz, da sich eine hocheffiziente Ausleuchtung des Blickfelds durch kleinere Lichtquellen und optische Elemente erzielen lässt. In mindestens einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung weist die Anzeigevorrichtung eine Mehrzahl von Bildpunkten und zumindest ein optoelektronisches Halbleiterbauelement auf. Jeder Bildpunkt weist zumindest einen ersten Subbildpunkt für die Erzeugung von Strahlung in einem ersten Spektralbereich und einen zweiten Subbildpunkt für die
Erzeugung von Strahlung in einem vom ersten Spektralbereich verschiedenen zweiten Spektralbereich auf. Den Subbildpunkten ist jeweils ein zur Erzeugung einer Primärstrahlung
vorgesehener aktiver Bereich des Halbleiterbauelements zugeordnet. Zumindest einigen der aktiven Bereiche ist ein Strahlungskonversionselement nachgeordnet, wobei das
Strahlungskonversionselement im Betrieb der
Anzeigevorrichtung die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandelt und das
Strahlungskonversionselement die Sekundärstrahlung engwinklig abstrahlt . Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung weist jeder Bildpunkt zumindest zwei weitere Subbildpunkte auf, wobei die Subbildpunkte die Strahlung im Betrieb der Anzeigevorrichtung entlang einer ersten Abstrahlrichtung und die weiteren Subbildpunkte entlang einer zweiten
Abstrahlrichtung abstrahlen. Die erste Abstrahlrichtung und die zweite Abstrahlrichtung sind voneinander verschieden und verlaufen beispielsweise schräg zueinander. Beispielsweise stellt jeder Bildpunkt ein Farbtripel, das entlang der ersten Abstrahlrichtung abstrahlt, und ein weiteres Farbtripel, das entlang der zweiten Abstrahlrichtung abstrahlt, zur
Verfügung. Auf diese Weise ist die Darstellung
dreidimensional wirkender Bilder erzielbar. Eine spezielle Brille oder andere Hilfsmittel sind zur Erzielung der dreidimensionalen Wirkung bei der Betrachtung der Bilder nicht erforderlich. Der Begriff „Bilder" umfasst sowohl bewegte als auch unbewegte Bilder. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung emittieren die aktiven Bereiche im Betrieb der
Anzeigevorrichtung kohärente oder teilkohärente
Primärstrahlung, insbesondere im infraroten Spektralbereich. Beispielsweise ist der aktive Bereich jeweils Teil eines Halbleiterlasers, etwa eines oberflächenemittierenden
Halbleiterlasers oder einer Leuchtdiode mit resonanter
Kavität (Resonant Cavity Light Emitting Diode, RCLED) . Diese Halbleiterbauelemente zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus, sodass sich insbesondere in Kombination mit dem
engwinklig abstrahlenden Strahlungskonversionselement für die Subbildpunkte jeweils eine hocheffiziente Strahlungsquelle ergibt, die die gewünschte Strahlung im Vergleich zu einem Lambert ' sehen Oberflächenstrahler stärker gerichtet
abstrahlt. Mit oberflächenemittierenden Lasern kann weiterhin eine besonders hohe Strahlqualität erzielt werden. Zudem ist eine matrixförmige zweidimensionale Anordnung von aktiven Bereichen mittels eines oberflächenemittierenden Lasers vereinfacht und besonders kompakt erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung emittieren die aktiven Bereiche Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich. Die aktiven Bereiche sind beispielsweise zur Erzeugung von Strahlung im infraroten Spektralbereich
vorgesehen, etwa mit einer Peak-Wellenlänge zwischen
einschließlich 780 nm und einschließlich 980 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung strahlt das Strahlungskonversionselement Sekundärstrahlung ab, die Strahlung im ersten und im zweiten Spektralbereich aufweist. Das Strahlungskonversionselement strahlt also spektral breitbandig ab, beispielsweise mit einer vollen Halbwertsbreite der Sekundärstrahlung von mindestens 100 nm, zum Beispiel mindestens 200 nm. Beispielsweise erscheint die vom Strahlungskonversionselement abgestrahlte Strahlung für das menschliche Auge weiß. Beispielsweise ist das
Strahlungskonversionselement ein in lateraler Richtung gleichförmig ausgebildetes Strahlungskonversionselement. Das bedeutet, die Peak-Wellenlänge der Sekundärstrahlung ist unabhängig davon, an welcher lateralen Position die
Primärstrahlung auf das Strahlungskonversionselement
auftrifft. Zum Beispiel bedeckt das in lateraler Richtung gleichförmige Strahlungskonversionselement sowohl einen ersten Subbildpunkt als auch einen zweiten Subbildpunkt .
Insbesondere ist dem Strahlungskonversionselement in
Abstrahlrichtung ein Filterelement nachgeordnet, das für den ersten Subbildpunkt Strahlung im ersten Spektralbereich und für den zweiten Subbildpunkt Strahlung im zweiten
Spektralbereich durchlässt. Mit anderen Worten geht die von dem ersten Subbildpunkt und dem zweiten Subbildpunkt
abgestrahlte Strahlung mittels einer nachgeordneten Filterung aus derselben Sekundärstrahlung hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung weist das Strahlungskonversionselement über dem ersten
Subbildpunkt und über dem zweiten Subbildpunkt eine gleiche spektrale Abstrahlcharakteristik auf. Das
Strahlungskonversionselement ist also nicht in einzelne
Segmente unterteilt, die den jeweiligen Subbildpunkten zugeordnet sind. Beispielsweise erstreckt sich das
Strahlungskonversionselement durchgängig über den ersten Subbildpunkt und dem zweiten Subbildpunkt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung weist das Strahlungskonversionselement eine Mehrzahl von Segmenten auf, wobei erste Segmente Sekundärstrahlung im ersten Spektralbereich und zweite Segmente Sekundärstrahlung im zweiten Spektralbereich emittieren. Die von den
Subbildpunkten abgestrahlte Strahlung wird also über
unterschiedliche Segmente des Strahlungskonversionselements erzeugt. Auf ein dem Strahlungskonversionselement
nachgeordnetes Filterelement zur Erzeugung unterschiedlicher spektraler Emissionsbereiche kann verzichtet werden. Ein solches Filterelement kann jedoch zusätzlich vorgesehen sein, beispielsweise wenn die von dem jeweiligen Segment erzeugte Sekundärstrahlung spektral breiter ist als für die
entsprechenden Subbildpunkte der Anzeigevorrichtung
vorgesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung strahlt das Strahlungskonversionselement die
Sekundärstrahlung in einen projizierten Raumwinkel von höchstens π/5 ab. Die vom Strahlungskonversionselement abgestrahlte Strahlung ist also zu einem gesteigerten Grad engwinklig und zeichnet sich durch eine vereinfachte
Weiterverarbeitbarkeit , beispielsweise mittels eines im
Strahlengang nachgeordneten optischen Elements aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung ist zwischen den aktiven Bereichen und dem
Strahlungskonversionselement ein erstes optisches Element angeordnet. Das erste optische Element ist insbesondere dafür vorgesehen, die von den einzelnen aktiven Bereichen
emittierte Primärstrahlung jeweils in das Material des
Strahlungskonversionselements zu bündeln und insbesondere zu kollimieren. Beispielsweise trifft die Primärstrahlung zumindest näherungsweise als ein Parallelstrahlenbündel auf das Strahlungskonversionselement . Eine engwinklige
Abstrahlung des Konversionselements wird so gefördert.
Weiterhin können im Vergleich zu einer divergierend
auftreffenden Primärstrahlung höhere lokale Leistungsdichten im Material des Strahlungskonversionselements erzielt werden. Die Effizienz nicht-linear optischer Prozesse wird so erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung weist die Anzeigevorrichtung ein zweites optisches Element auf, wobei das Strahlungskonversionselement im Strahlengang zwischen dem aktiven Bereich und dem zweiten optischen
Element angeordnet ist. Das zweite optische Element ist insbesondere dafür vorgesehen, das Blickfeld der
Anzeigevorrichtung zu definieren.
Die Begriffe erstes optisches Element und zweites optisches Element dienen lediglich der vereinfachten Unterscheidung dieser Elemente. Der Begriff zweites optisches Element impliziert jedoch nicht, dass notwendigerweise auch ein erstes optisches Element vorhanden ist. Vielmehr kann das zweite optische Element auch das einzige optische Element der Anzeigevorrichtung sein. Entsprechend kann auch das erste optische Element das einzige optische Element der
Anzeigevorrichtung sein.
Das erste optische Element und/oder das zweite optische
Element können insbesondere ein diffraktives optisches
Element, ein refraktives optisches Element oder ein
reflektives optisches Element aufweisen oder aus einem solchen Element bestehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung ist das zweite optische Element ein diffraktives optisches Element. Mit einem diffraktiven optischen Element können besonders geringe Bauhöhen erzielt werden. Weiterhin eignet sich ein diffraktives Element besonders, um die von den
Subbildpunkten und den weiteren Subbildpunkte emittierte Strahlung in die erste beziehungsweise die zweite
Abstrahlungsrichtung zu lenken. Eine 3D-Darstellung ist so vereinfacht erzielbar. Insbesondere in Kombination mit der engwinkligen Abstrahlung des Strahlungskonversionselements bietet die Anzeigevorrichtung eine besonders kompakte und kostengünstige Anzeigevorrichtung für die 3D-Darstellung von Bildern . Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung sind zumindest zwei der aktiven Bereiche in einem
Halbleiterchip des Halbleiterbauelements integriert.
Beispielsweise sind zumindest alle aktiven Bereiche für einen Bildpunkt in ein Halbleiterbauelement, etwa einen
Halbleiterchip integriert. Zum Beispiel gehen die aktiven Bereiche bei der Herstellung des Halbleiterchips aus
derselben Halbleiterschichtenfolge hervor. Das heißt, die aktiven Bereiche unterscheiden sich in Bezug auf die
Materialzusammensetzung und die Schichtdicken nicht oder nur im Rahmen fertigungsbedingter Schwankungen in lateraler
Richtung bei der beispielsweise epitaktischen Abscheidung. Eine besonders kompakte Bauform der Anzeigevorrichtung und geringe Abstände zwischen benachbarten Subbildpunkten sind so vereinfacht erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung weist das Halbleiterbauelement eine Mehrzahl von
oberflächenemittierenden Halbleiterbereichen auf, die jeweils einen aktiven Bereich bilden. Die aktiven Bereiche sind beispielsweise matrixförmig nebeneinander angeordnet.
Insbesondere können die aktiven Bereiche jeweils Teil eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikaler Kavität
(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) sein. Die Kavität erstreckt sich also senkrecht zu einer
Haupterstreckungsebene des jeweiligen aktiven Bereichs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung ist zumindest einem Subbildpunkt ein zusätzlicher redundanter aktiver Bereich zugeordnet. Insbesondere ist jedem
Subbildpunkt ein zusätzlicher redundanter aktiver Bereich zugeordnet. Der redundante aktive Bereich ist dafür
vorgesehen, einen Ausfall eines aktiven Bereichs im Fall eines Ausfalls vollständig oder zumindest teilweise
kompensieren zu können. Zum Beispiel sind der aktive Bereich und der zugehörige redundante aktive Bereich elektrisch parallel zueinander verschaltet. Alternativ oder ergänzend kann eine Identifizierung und Deaktivierung ausgefallener aktiver Bereiche während der Herstellung oder im Betrieb der Anzeigevorrichtung erfolgen. Ein Ausfall eines aktiven
Bereichs kann also durch den zugeordneten redundanten aktiven Bereich kompensiert werden und erfordert so nicht
notwendigerweise die Verwerfung der gesamten
Anzeigevorrichtung bei der Herstellung oder den Austausch der gesamten Anzeigevorrichtung im Betrieb.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung weist jeder Bildpunkt zumindest zwei weitere Subbildpunkte auf, wobei die Anzeigevorrichtung ein zweites optisches
Element aufweist, und wobei das Strahlungskonversionselement im Strahlengang zwischen dem aktiven Bereich und dem zweiten optischen Element angeordnet ist. Das zweite optische Element lenkt Strahlung des ersten und zweiten Subbildpunkts in eine erste Abstrahlrichtung und Strahlung der zwei weiteren
Subbildpunkte in eine von der ersten Abstrahlrichtung
verschiedene zweite Abstrahlrichtung. Eine 3D-Darstellung eines Bildes ist so auf besonders einfache und kompakte Weise realisierbar .
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben
der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
Die Figuren 1A und 1B ein Ausführungsbeispiel für eine Anzeigevorrichtung in schematischer Schnittansicht (Figur 1A) und in Draufsicht (Figur 1B) ; die Figuren 2A und 2B ein Ausführungsbeispiel für eine Anzeigevorrichtung in schematischer Schnittansicht (Figur 2A) und in Draufsicht (Figur 2B) ; die Figuren 3A und 3B ein Ausführungsbeispiel für eine Anzeigevorrichtung in schematischer Schnittansicht (Figur 3A) und in Draufsicht (Figur 3B) ; und die Figuren 4 und 5 jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Anzeigevorrichtung in schematischer Schnittansicht.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellung und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein . In den Figuren sind jeweils Ausführungsbeispiele für eine Anzeigevorrichtung gezeigt, wobei zur vereinfachten
Darstellung jeweils nur ein Ausschnitt der Anzeigevorrichtung gezeigt ist, der einen Bildpunkt umfasst. Die
Anzeigevorrichtung weist eine Vielzahl derartiger Bildpunkte auf, die beispielsweise in einer zweidimensionalen Anordnung, etwa matrixförmig, nebeneinander ausgebildet sind. Die Anzahl der Bildpunkte kann in weiten Grenzen variiert werden und beträgt beispielsweise mindestens 100, mindestens 10.000 oder mindestens 1.000.000.
In dem in den Figuren 1A und 1B gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Bildpunkt 1 einen ersten Subbildpunkt 21 zur
Erzeugung von Strahlung in einem ersten Spektralbereich 921, einen zweiten Subbildpunkt 22 zur Erzeugung von Strahlung in einem zweiten Spektralbereich 922 und einen dritten
Subbildpunkt 23 zur Erzeugung von Strahlung in einem dritten Spektralbereich 923 auf. Die Spektralbereiche sind jeweils paarweise voneinander verschieden. Beispielsweise bildet jeder Bildpunkt ein Farbtripel mit Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich. Ein Bildpunkt kann jedoch auch mehr oder weniger als drei Subbildpunkte aufweisen.
Beispielsweise weist jeder Bildpunkt zusätzlich einen
Subbildpunkt zur Erzeugung von Strahlung im infraroten
Spektralbereich und/oder Strahlung im gelben Spektralbereich auf.
Dem ersten Subbildpunkt 21, dem zweiten Subbildpunkt 22 und dem dritten Subbildpunkt 23 ist jeweils ein zur Erzeugung einer Primärstrahlung 91 vorgesehener aktiver Bereich 70 eines Halbleiterbauelements 7 der Anzeigevorrichtung
zugeordnet. Das Halbleiterbauelement 7 weist beispielsweise einen Halbleiterchip 700 auf, der einen oder mehrere aktive Bereiche 70 bildet.
Den aktiven Bereichen 70 ist ein Strahlungskonversionselement 5 nachgeordnet, insbesondere ein gemeinsames
Strahlungskonversionselement für alle Subbildpunkte eines Bildpunkts 1 oder für zwei oder mehr Bildpunkte 1 der
Anzeigevorrichtung. Das Strahlungskonversionselement ist beispielsweise dafür vorgesehen, die von den aktiven
Bereichen 70 erzeugte Primärstrahlung 91 zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung 92 umzuwandeln. Das
Strahlungskonversionselement strahlt die Sekundärstrahlung insbesondere engwinklig ab, beispielsweise mit einem
projizierten Raumwinkel von höchstens π/2, vorzugsweise in einen projizierten Raumwinkel von höchstens π/5. Als Material für das Strahlungskonversionselement 5 eignet sich insbesondere ein Material, bei dem die Primärstrahlung im Strahlungskonversionselement, basierend auf einem nicht¬ linear optischen Prozess, eine Strahlungskonversion bewirkt. Beispielsweise weist das Strahlungskonversionsmaterial halbleiterbasierte Clustermoleküle auf, die mit kovalent gebundenen organischen Liganden versehen sind. Diese
organischen Liganden können delokalisierte Elektronenzustände bereitstellen .
Beispielsweise basieren die Moleküle auf Zinnsulfid mit einer diamantartigen Struktur (diamondoids ) . Diese weisen aufgrund ihrer tetraedrischen Struktur keine Inversionssymmetrie auf. Die organischen Liganden R weisen beispielsweise die Struktur R = 4- (CH2=CH) -C6H4 auf.
Dieses Material weist beispielsweise bei einer Anregung mit einer Wellenlänge von 980 nm ein breites Emissionsspektrum im sichtbaren Spektralbereich auf. In einem Anregungs- Wellenlängenbereich von 725 nm bis 1050 nm ist die spektrale Verteilung des erzeugten weißen Lichts weitgehend gleich. Grundsätzlich eignen sich aber alle Materialien, bei denen nicht-linear optische Prozesse, insbesondere die im
allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Prozesse wie beispielsweise eine Aufkonversion, mit einer ausreichend hohen Effizienz auftreten.
Dem Strahlungskonversionselement 5 ist in Abstrahlrichtung ein Filterelement 6 nachgeordnet. Den ersten, zweiten und dritten Subbildpunkten 21, 22, 23 ist jeweils ein erster Filterbereich 61, ein zweiter Filterbereich 62
beziehungsweise ein dritter Filterbereich 63 des
Filterelements zugeordnet. Die Filterbereiche lassen jeweils Strahlung in voneinander verschiedenen Spektralbereichen der vom Strahlungskonversionselement 5 erzeugten
Sekundärstrahlung 92 durch. Beispielsweise lässt der erste Filterbereich 61 Strahlung im ersten Spektralbereich 921, etwa im roten Spektralbereich, der zweite Filterbereich 62 Strahlung im zweiten Spektralbereich 922, etwa Strahlung im grünen Spektralbereich, und der dritte Filterbereich 63 Strahlung im dritten Spektralbereich 923, etwa Strahlung im blauen Spektralbereich durch. Das Filterelement 6 kann insbesondere auch die Primärstrahlung 91 blocken, sofern ein Strahlungsaustritt der Primärstrahlung nicht gewünscht ist. Das Strahlungskonversionselement strahlt also
Sekundärstrahlung 92 ab, die Strahlung im ersten
Spektralbereich 921, Strahlung im zweiten Spektralbereich 922 und Strahlung im dritten Spektralbereich 923 umfasst.
Mit anderen Worten ist die Sekundärstrahlung spektral so breit, dass sie Strahlungsanteile in den verschiedenen von den Subbildpunkten abzustrahlenden Spektralbereichen enthält. Eine volle Halbwertsbreite der Sekundärstrahlung beträgt beispielsweise mindestens 100 nm, mindestens 200 nm oder mindestens 300 nm.
Über den einzelnen Subbildpunkten weist das
Strahlungskonversionselement jeweils eine gleiche spektrale Abstrahlcharakteristik auf. Das Strahlungskonversionselement ist bezüglich seiner spektralen Abstrahlcharakteristik also gleichförmig ausgebildet. Beispielsweise erstreckt sich das Strahlungskonversionselement 5 durchgängig über die
Subbildpunkte 21, 22, 23 eines Bildpunkts 1 oder über die Subbildpunkte mehrerer oder aller Bildpunkte 1.
Die aktiven Bereiche 70 emittieren im Betrieb der
Anzeigevorrichtung kohärente oder teilkohärente
Primärstrahlung 91, insbesondere im infraroten
Spektralbereich. Die Peak-Wellenlänge der Primärstrahlung 91 liegt beispielsweise zwischen einschließlich 780 nm und einschließlich 980 nm.
Zwischen den aktiven Bereichen 70 und dem
Strahlungskonversionselement 5 ist optional ein erstes optisches Element 41 angeordnet. Das optische Element kann beispielsweise ein zusammenhängendes optisches Element sein, das sich über einen oder mehrere Subbildpunkte eines Bildpunkts, über mehrere Bildpunkte oder auch über alle
Bildpunkte der Anzeigevorrichtung erstreckt. Die Herstellung der Anzeigevorrichtung wird dadurch vereinfacht. Beispielsweise ist jedem Bildpunkt 1 oder jedem Subbildpunkt eines Bildpunkts ein Optiksegment 411 des ersten optischen Elements 41 zugeordnet. In dem Ausführungsbeispiel sind die Optiksegmente 411 des ersten optischen Elements lediglich exemplarisch als Plankonvexlinsen ausgebildet. Alternativ kann auch eine andere Ausgestaltung Anwendung finden,
beispielsweise eine andere refraktive Ausgestaltung oder eine Ausgestaltung des ersten optischen Elements 41 in Form eines diffraktiven optischen Elements. Selbstverständlich können die einzelnen Optiksegmente 411 auch diskrete optische
Elemente sein, die voneinander beabstandet sind.
Das erste optische Element 41 ist insbesondere dafür
vorgesehen, die von den aktiven Bereichen 70 abgestrahlte Primärstrahlung zu bündeln und dadurch die lokale
Leistungsdichte im Strahlungskonversionselement 5 zu erhöhen. Die Effizienz der Strahlungskonversion im
Strahlungskonversionselement 5 kann so erhöht werden.
Auf der dem Halbleiterbauelement 7 abgewandten Seite des Strahlungskonversionselements 5 ist ein zweites optisches
Element 42 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das zweite optische Element 42 eine Mehrzahl von
Optiksegmenten 421 auf, wobei jedem Subbildpunkt ein
Optiksegment zugeordnet ist. Das Optiksegment 421 des zweiten optischen Elements 42 ist in Schnittansicht exemplarisch jeweils in Form eines Prismas ausgebildet, sodass die von den einzelnen Subbildpunkten 21, 22, 23 abgestrahlte Strahlung entlang einer ersten Abstrahlrichtung 951 abgestrahlt wird. Das zweite optische Element kann jedoch auch davon abweichend ausgebildet sein, beispielsweise als ein anderes refraktives Element, bei dem eine Brechung an einer oder mehreren
Grenzflächen erfolgt, etwa als eine Linse oder eine
Stufenlinse, oder als diffraktives optisches Element. Mittels eines diffraktiven optischen Elements können auf einfache und kompakte Weise Strahlungsanteile in unterschiedliche
Abstrahlrichtungen gelenkt und/oder gemäß einem gewünschten Blickfeld geformt werden, insbesondere in Verbindung mit dem engwinklig abstrahlenden Strahlungskonversionselement 5. Bei einem refraktiven optischen Element beträgt eine
Strukturgröße für die Optiksegmente in lateraler Richtung, in dem gezeigten Beispiel die laterale Ausdehnung eines Prismas, beispielsweise mindestens 10 ym. Bei einem diffraktiven optischen Element beträgt eine Strukturgröße für die
Optiksegmente beispielsweise zwischen einschließlich 0,3 ym und einschließlich 3 ym.
Durch das Vorsehen weiterer Subbildpunkte, die entlang einer von der ersten Abstrahlrichtung verschiedenen zweiten
Abstrahlrichtung abstrahlen, kann eine 3D-Darstellung eines bewegten oder unbewegten Bildes erzielt werden. Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren 2A und 2B näher erläutert. Davon abweichend kann die Anzeigevorrichtung jedoch auch als eine herkömmliche 2D-Anzeigevorrichtung ausgebildet sein. In diesem Fall ist das zweite optische Element 42 dafür
vorgesehen, das Blickfeld der Anzeigevorrichtung zu
definieren . Den Subbildpunkten kann jeweils auch mehr als ein aktiver
Bereich 70 zugeordnet sein. Dies ist in Figur 1B exemplarisch für den ersten Subbildpunkt 21 in einer Draufsicht auf die Anzeigevorrichtung dargestellt. Neben dem aktiven Bereich 70 sind dem ersten Subbildpunkt 21 drei zusätzliche redundante aktive Bereiche 75 zugeordnet. Beispielsweise sind der aktive Bereich und die zugeordneten redundanten aktiven Bereiche elektrisch parallel zueinander verschaltet und gemeinsam über eine Ansteuerschaltung ansteuerbar. Bei einem Ausfall des aktiven Bereichs 70 können die redundanten aktiven Bereiche weiter Strahlung emittieren, sodass der Ausfall eines aktiven Bereichs nicht zum völligen Ausfall eines Subbildpunkts führen muss.
Bei der Herstellung können so besonders geringe Ausfallraten erzielt werden. Weiterhin kann die Lebensdauer der
Anzeigevorrichtung im Betrieb erhöht werden. Redundante aktive Bereiche können auch bei den nachfolgenden
Ausführungsbeispielen Anwendung finden, auch wenn diese zur vereinfachten Darstellung nicht explizit gezeigt sind.
Die aktiven Bereiche 70 und gegebenenfalls die redundanten aktiven Bereiche 75 eines Subbildpunkts, die aktiven Bereiche mehrerer Subbildpunkte eines Bildpunkts oder auch die aktiven Bereiche mehrerer oder aller Bildpunkte der
Anzeigevorrichtung können in einen gemeinsamen Halbleiterchip des Halbleiterbauelements 7 integriert sein. Beispielsweise weist das Halbleiterbauelement 7 eine Mehrzahl von
oberflächenemittierenden Halbleiterbereichen 71 auf, die jeweils einen aktiven Bereich bilden. Zum Beispiel ist jeder aktive Bereich 70 Teil eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikaler Kavität. Die aktiven Bereiche 70 der einzelnen Subbildpunkte 21, 22, 23 können jeweils auf demselben Halbleitermaterial basieren. Beispielsweise eignet sich für die Erzeugung von Strahlung im infraroten Spektralbereich ein aktiver Bereich basierend auf einem Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial .
Auf „Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass der aktive
Bereich oder zumindest ein Teil davon ein Arsenid- Verbindungshalbleitermaterial , vorzugsweise AlxInyGai-x-yAs aufweist oder aus diesem besteht, wobei O ^ x ^ l, O ^ y ^ l und x + y < 1 gilt. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, In, As) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die aktiven Bereiche 70 verschiedener Subbildpunkte sind daher mit derselben Vorwärtsspannung betreibbar, etwa mittels einer Ansteuerschaltung, die in die Anzeigevorrichtung integriert ist oder außerhalb der Anzeigevorrichtung
angeordnet und mit den aktiven Bereichen elektrisch leitend verbunden ist. Im Unterschied hierzu sind unterschiedliche Vorwärtsspannungen erforderlich, wenn die von den einzelnen Subbildpunkten abgestrahlte Strahlung in verschiedenen
Spektralbereichen direkt als Primärstrahlung im aktiven
Bereich erzeugt wird und das Material der aktiven Bereiche entsprechend an die zu erzeugende Strahlung angepasst werden muss. Weiterhin sind die erforderlichen Ansteuerspannungen bei im infraroten Spektralbereich emittierenden
Halbleiterbauelementen geringer als bei
Halbleiterbauelementen, die beispielsweise Strahlung im blauen Spektralbereich emittieren. Das in den Figuren 2A und 2B gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den
Figuren 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel, wobei die Figur 2A eine Schnittansicht entlang der in Figur 2B gezeigten Linie AA' darstellt. In der Draufsicht der Figur 2B ist zur vereinfachten Darstellung lediglich die geometrische Anordnung der Subbildpunkte gezeigt.
Jeder Bildpunkt 1 weist neben Subbildpunkten 21, 22, 23 eine Mehrzahl von weiteren Subbildpunkten 31, 32, 33 auf. Die weiteren Subbildpunkte 31, 32, 33 emittieren jeweils in eine schräg zur ersten Abstrahlrichtung 951 verlaufende zweite Abstrahlrichtung 952. Bezüglich der spektralen
Abstrahlcharakteristik entspricht ein erster weiterer
Subbildpunkt 31 dem ersten Subbildpunkt 21, ein zweiter weiterer Subbildpunkt 32 dem zweiten Subbildpunkt 22 und ein dritter weiterer Subbildpunkt 33 dem dritten Subbildpunkt 23.
Jeder Bildpunkt stellt also für drei voneinander verschiedene Spektralanteile, beispielsweise Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich, jeweils einen Subbildpunkt und einen weiteren Subbildpunkt zur Verfügung, die in
unterschiedliche Abstrahlrichtungen emittieren. Eine 3D- Darstellung von Bildern ist so erzielbar, ohne dass der
Betrachter des Bildes weitere Hilfsmittel, wie beispielsweise eine spezielle Brille, benötigt.
Das in den Figuren 3A und 3B dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den
Figuren 2A und 2B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist der Bildpunkt 1 zusätzlich einen vierten Subbildpunkt 24 und einen vierten weiteren
Subbildpunkt 34 auf. Der vierte Subbildpunkt 24
beziehungsweise der vierte weitere Subbildpunkt 34 ist jeweils zur Erzeugung von Strahlung in einem vierten
Spektralbereich vorgesehen, der von den ersten, zweiten und dritten Spektralbereichen verschieden ist. Beispielseise liegt der vierte Spektralbereich im sichtbaren
Spektralbereich, etwa im gelben Spektralbereich.
Mittels einer Erhöhung der Anzahl der Strahlungsanteile kann ein besonders großer Farbraum im CIE-Farbdiagramm abgedeckt werden . Alternativ kann der vierte Spektralbereich auch im infraroten Spektralbereich liegen. In diesem Fall kann die von dem zugehörigen aktiven Bereich 70 emittierte Primärstrahlung auch direkt, also ohne eine Strahlungskonversion, im
Strahlungskonversionselement 5 aus der Anzeigevorrichtung austreten. Der Strahlungsanteil im vierten Spektralbereich 924 ist also ein Teil der Primärstrahlung 91.
Infrarotstrahlung eignet sich beispielsweise besonders für Sensorik-Anwendungen oder für Nachtsicht-Anwendungen. Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den Figuren 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die Anzeigevorrichtung nicht als eine 3D-Anzeigevorrichtung, sondern als eine 2D-Anzeigevorrichtung ausgebildet. Das zweite optische Element 42 dient also nicht der
Strahlumlenkung in voneinander verschiedene
Abstrahlrichtungen, sondern insbesondere der Definition des Blickfelds der Anzeigevorrichtung. Auch für derartige 2D- Anzeigevorrichtungen ist die beschriebene Strahlungserzeugung mittels eines engwinklig abstrahlenden
Strahlungskonversionselements 5 besonders geeignet, da beispielsweise die nachgeordnete Strahlformung mittels des zweiten optischen Elements 42 vereinfacht ist und die aktiven Bereiche 70 voneinander verschiedener Subbildpunkte 21, 22, 23 auf demselben Halbleitermaterial basieren können und somit mit derselben Vorwärtsspannung betreibbar sind. Das in Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den Figuren 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel .
Im Unterschied hierzu weist das Strahlungskonversionselement 5 voneinander verschiedene Segmente auf. Die Segmente sind jeweils dafür vorgesehen, Sekundärstrahlung in voneinander verschiedenen Spektralbereichen zu erzeugen. Mittels der verschiedenen Segmente können die
Strahlungskonversionsmaterialien für die einzelnen Segmente beispielsweise unabhängig voneinander auf eine effiziente Strahlungskonversion in vom dem jeweiligen Subbildpunkt zu emittierende Strahlung hin gewählt werden. Dem ersten
Subbildpunkt 21 ist ein erstes Segment 51, dem zweiten
Subbildpunkt 22 ein zweites Segment 52 und dem dritten
Subbildpunkt 23 ein drittes Segment 53 zugeordnet. Auf ein dem Strahlungskonversionselement 5 nachgeordnetes
Filterelement zur Erzeugung von Strahlung mit
unterschiedlichen Spektralanteilen kann verzichtet werden. Ein solches Filterelement kann jedoch optional zusätzlich vorgesehen sein, beispielsweise um die spektrale Breite der von den Segmenten 51, 52, 53 abgestrahlten Sekundärstrahlung zu verringern. Alternativ oder ergänzend kann dem
Strahlungskonversionselement 5 in Abstrahlrichtung weiterhin ein weiteres Filterelement 65 nachgeordnet sein, das die Primärstrahlung 91 im infraroten Spektralbereich für
zumindest einen oder auch für alle Subbildpunkte blockt. Insbesondere aufgrund der engwinkligen Abstrahlung des
Strahlungskonversionselements und der damit einhergehenden niedrigen Etendue kann eine effiziente Strahlformung oder Strahlumlenkung in verschiedene Abstrahlrichtungen bereits mit einem einfachen Aufbau des zweiten optischen Elements erzielt werden. Die beschriebene Anzeigevorrichtung zeichnet sich daher unter anderem durch eine besonders kompakte
Bauform und geringe Herstellungskosten aus.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102017106033.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 Bildpunkt
21 erster Subbildpunkt
22 zweiter Subbildpunkt
23 dritter Subbildpunkt
24 vierter Subbildpunkt
31 erster weiterer Subbildpunkt
32 zweiter weiterer Subbildpunkt
33 dritter weiterer Subbildpunkt
34 vierter weiterer Subbildpunkt
41 erstes optisches Element
411 Optiksegment des ersten optischen Elements
42 zweites optisches Element
421 Optiksegment des zweiten optischen Elements
5 Strahlungskonversionselement
51 erstes Segment
52 zweites Segment
53 drittes Segment
6 Filterelement
61 erster Filterbereich
62 zweiter Filterbereich
63 dritter Filterbereich
65 weiteres Filterelement
7 Halbleiterbauelement
70 aktiver Bereich
700 Halbleiterchip
71 oberflächenemittierender Halbleiterbereich 75 redundanter aktiver Bereich
91 Primärstrahlung
92 Sekundärstrahlung
921 Strahlung im ersten Spektralbereich
922 Strahlung im zweiten Spektralbereich 923 Strahlung im dritten Spektralbereich
924 Strahlung im vierten Spektralbereich
951 erste Abstrahlrichtung
952 zweite Abstrahlrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Anzeigevorrichtung mit einer Mehrzahl von Bildpunkten (1) und mit zumindest einem optoelektronischen
Halbleiterbauelement (7), wobei
- jeder Bildpunkt zumindest einen ersten Subbildpunkt (21) für die Erzeugung von Strahlung in einem ersten
Spektralbereich (921) und einen zweiten Subbildpunkt (22) für die Erzeugung von Strahlung in einem vom ersten
Spektralbereich verschiedenen zweiten Spektralbereich (922) aufweist ;
- den ersten und zweiten Subbildpunkten jeweils ein zur
Erzeugung einer Primärstrahlung vorgesehener aktiver Bereich (70) des Halbleiterbauelements zugeordnet ist,
- zumindest einigen der aktiven Bereiche ein
Strahlungskonversionselement (5) nachgeordnet ist, wobei das Strahlungskonversionselement im Betrieb der
Anzeigevorrichtung die Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandelt und das
Strahlungskonversionselement die Sekundärstrahlung engwinklig abstrahlt .
2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1,
wobei jeder Bildpunkt zumindest zwei weitere Subbildpunkte (31, 32, 33, 34) aufweist, wobei die Subbildpunkte die
Strahlung im Betrieb der Anzeigevorrichtung entlang einer ersten Abstrahlrichtung (951) und die weiteren Subbildpunkte entlang einer schräg zur ersten Abstrahlrichtung verlaufenden zweiten Abstrahlrichtung (952) abstrahlen.
3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die aktiven Bereiche im Betrieb der Anzeigevorrichtung kohärente oder teilkohärente Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich emittieren.
4. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strahlungskonversionselement Sekundärstrahlung abstrahlt, die Strahlung im ersten und im zweiten
Spektralbereich aufweist und wobei dem
Strahlungskonversionselement in Abstrahlrichtung ein
Filterelement (6) nachgeordnet ist, das für den ersten
Subbildpunkt Strahlung im ersten Spektralbereich und für den zweiten Subbildpunkt Strahlung im zweiten Spektralbereich durchlässt .
5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4,
wobei das Strahlungskonversionselement über dem ersten
Subbildpunkt und über dem zweiten Subbildpunkt eine gleiche spektrale Abstrahlcharakteristik aufweist.
6. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Strahlungskonversionselement eine Mehrzahl von
Segmenten (51, 52, 53) aufweist, wobei erste Segmente (51) Sekundärstrahlung im ersten Spektralbereich und zweite
Segmente (52) Sekundärstrahlung im zweiten Spektralbereich emittieren .
7. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strahlungskonversionselement die Sekundärstrahlung in einen projizierten Raumwinkel von höchstens π/5 abstrahlt.
8. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen den aktiven Bereichen und dem
Strahlungskonversionselement ein erstes optisches Element (41) angeordnet ist.
9. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzeigevorrichtung ein zweites optisches Element (42) aufweist, wobei das Strahlungskonversionselement im Strahlengang zwischen dem aktiven Bereich und dem zweiten optischen Element angeordnet ist.
10. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite optische Element ein diffraktives optisches Element ist.
11. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest zwei der aktiven Bereiche in einem
Halbleiterchip (700) des Halbleiterbauelements integriert sind .
12. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement eine Mehrzahl von
oberflächenemittierenden Halbleiterbereichen (71) aufweist, die jeweils einen aktiven Bereich bilden.
13. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest einem Subbildpunkt ein zusätzlicher
redundanter aktiver Bereich (75) zugeordnet ist.
14. Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- der aktiven Bereiche im Betrieb der Anzeigevorrichtung jeweils kohärente oder teilkohärente Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich emittieren, und
- die Primärstrahlung im Strahlungskonversionselement eine
Strahlungskonversion in Sekundärstrahlung basierend auf einem nicht-linear optischen Prozess bewirkt.
15. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1,
wobei
- jeder Bildpunkt zumindest zwei weitere Subbildpunkte (31, 32, 33, 34) aufweist;
- die Anzeigevorrichtung ein zweites optisches Element (42) aufweist, wobei das Strahlungskonversionselement im
Strahlengang zwischen dem aktiven Bereich und dem zweiten optischen Element angeordnet ist; und
- das zweite optische Element Strahlung des ersten und zweiten Subbildpunkts in eine erste Abstrahlrichtung (951) und Strahlung der weiteren Subbildpunkte in eine schräg zur ersten Abstrahlrichtung verlaufende zweite Abstrahlrichtung (952) lenkt.
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