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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-17
(45)【発行日】2024-01-25
(54)【発明の名称】照明装置
(51)【国際特許分類】
F21S 2/00 20160101AFI20240118BHJP
F21V 9/30 20180101ALI20240118BHJP
G02F 1/13357 20060101ALI20240118BHJP
H01L 33/60 20100101ALI20240118BHJP
H01L 33/00 20100101ALI20240118BHJP
H01L 33/50 20100101ALI20240118BHJP
G09F 9/00 20060101ALI20240118BHJP
F21Y 115/10 20160101ALN20240118BHJP
【ＦＩ】
F21S2/00 483
F21V9/30
G02F1/13357
H01L33/60
H01L33/00 L
H01L33/50
G09F9/00 336G
G09F9/00 324
F21Y115:10
【請求項の数】
53
(21)【出願番号】P 2020571342
(86)(22)【出願日】2019-03-11
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-07-15
(86)【国際出願番号】 US2019021570
(87)【国際公開番号】W WO2019173816
(87)【国際公開日】2019-09-12
【審査請求日】2022-02-16
(31)【優先権主張番号】1803767.1
(32)【優先日】2018-03-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(31)【優先権主張番号】1819612.1
(32)【優先日】2018-11-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】516384542
【氏名又は名称】リアルディー スパーク エルエルシー
(73)【特許権者】
【識別番号】520344305
【氏名又は名称】オプトベート リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ウッドゲート、グラハム ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】ハロルド、ジョナサン
(72)【発明者】
【氏名】ロビンソン、マイケル ジー．
【審査官】下原 浩嗣
(56)【参考文献】
【文献】特開平１１－２６６０３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２０５６９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１５２１６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５３３７１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１６９１２３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０２２６８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０８１８７２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２１Ｓ ２／００
Ｆ２１Ｖ ９／３０
Ｇ０２Ｆ １／１３３５７
Ｈ０１Ｌ ３３／６０
Ｈ０１Ｌ ３３／００
Ｈ０１Ｌ ３３／５０
Ｇ０９Ｆ ９／００
Ｆ２１Ｙ １１５／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
照明装置であって、ＬＥＤアレイに配置された複数のＬＥＤであって、前記複数のＬＥＤが、マイクロＬＥＤまたはミニＬＥＤであり、前記複数のＬＥＤの各々が、それぞれの光出力分布を有する光を出力するように配置されている、複数のＬＥＤと、
反射屈折光学アレイに配置された複数の反射屈折光学素子であって、各反射屈折光学素子が、反射表面、および前記反射表面とは反対側の表面である透過表面を備える、複数の反射屈折光学素子と、を備え、
各反射屈折光学素子について、前記反射表面が、前記透過表面を通じて前記複数のＬＥＤのうちの１つ以上からの光出力を受光し、前記透過表面を通じて前記受光された光を反射して戻し、それによって、それぞれの光出力分布を有する方向転換された光を提供するように配置されており、
各反射屈折光学素子によって提供される前記方向転換された光の前記光出力分布が、前記複数のＬＥＤの各々による前記光出力の前記光出力分布の光度半値立体角よりも小さい前記光度半値立体角を有し、
各反射屈折光学素子が、光軸を含み、
各光軸が、前記複数のＬＥＤのうちのそれぞれ１つ以上と対応して位置合わせされており、前記複数のＬＥＤの各々が、前記複数の反射屈折光学素子のうちの１つのみの前記光軸と対応して位置合わせされており、
ＬＥＤアレイに配置されたさらなる複数のＬＥＤをさらに備え、前記さらなる複数のＬＥＤが、マイクロＬＥＤまたはミニＬＥＤであり、各光軸が、前記さらなる複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤからオフセットされており、前記さらなる複数のＬＥＤのうちの前記ＬＥＤの各々が、前記複数の反射屈折光学素子のうちの少なくとも１つの前記光軸からオフセットされている、照明装置。
【請求項2】
前記複数のＬＥＤからの前記光のうちの少なくともいくつかが、少なくとも部分的に全反射を介して、前記反射屈折光学アレイ内でガイドされる、請求項１に記載の照明装置。
【請求項3】
前記複数のＬＥＤの各々が、少なくとも１つの透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面上に配置されており、透過出力表面が、前記透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面によって提供されており、前記透過ＬＥＤ支持基板の前記第２の表面が、前記透過ＬＥＤ支持基板の前記第１の表面とは反対側の表面である、請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項4】
各反射屈折光学素子の前記反射表面が、入力基板の第１の表面上に配置されており、前記反射表面とは反対側の表面である前記入力基板の第２の表面が、透過入力表面を備え、前記透過ＬＥＤ支持基板の前記第１の表面が、前記透過入力表面に面している、請求項３に記載の照明装置。
【請求項5】
前記反射屈折光学アレイ内でガイドされる前記複数のＬＥＤからの前記光が、少なくとも部分的に全反射を介して、前記反射表面と前記透過入力表面との間でガイドされる、請求項２に従属するときの請求項４に記載の照明装置。
【請求項6】
各反射屈折光学素子について、前記反射表面が、前記透過表面を通じて前記さらなる複数のＬＥＤのうちの１つ以上からの光出力を受光するように、かつ前記透過表面を通じて前記受光された光を反射して戻し、それによって、それぞれの光出力分布を有する方向転換された光を提供するように配置されており、前記さらなる複数のＬＥＤからの光出力を使用して各反射屈折光学素子によって提供される前記方向転換された光の前記光出力分布が、前記複数のＬＥＤからの光出力を使用して各反射屈折光学素子によって提供される方向転換された光の光度半値立体角よりも大きい前記光度半値立体角を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項7】
前記反射屈折光学アレイの各反射屈折光学素子について、前記透過表面が、前記透過表面上に配置され、かつ各反射屈折光学素子の前記光軸と対応して位置合わせされた、少なくとも１つの屈折光出力構造を備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項8】
入力基板が、前記複数の反射屈折光学素子の前記光軸間に延在する集積体として形成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項9】
透過ＬＥＤ支持基板が、前記複数の反射屈折光学素子の前記光軸間に延在する集積体として形成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項10】
透明材料が、透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面と各反射屈折光学素子の前記透過表面との間に提供されており、前記反射屈折光学アレイ内でガイドされる前記複数のＬＥＤからの前記光が、前記反射表面と前記透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面との間でガイドされる、請求項３～９のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項11】
入力基板が作製される材料よりも低い屈折率を有する透明材料が、前記複数のＬＥＤと各反射屈折光学素子の前記透過表面との間に配置されている、請求項４～１０のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項12】
前記透明材料が、空気である、請求項１０または１１に記載の照明装置。
【請求項13】
前記反射屈折光学アレイの前記反射表面が、前記反射表面上に形成された反射層を備える、請求項１～１２のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項14】
前記反射層が、金属材料を含む、請求項１３に記載の照明装置。
【請求項15】
前記反射層が、前記反射屈折光学アレイの前記反射表面を覆うように延在する、請求項１３または１４に記載の照明装置。
【請求項16】
各反射屈折光学素子の前記反射表面が、複数の光反射ファセットを備える、請求項１～１５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項17】
各反射屈折光学素子について、入力基板の透過入力表面が、各反射屈折光学素子のそれぞれの光軸と対応して位置合わせされた屈折光入力構造をさらに備え、各屈折光入力構造が、前記透過入力表面と前記入力基板の前記反射表面との間に配置されている、請求項４～１６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項18】
各反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、前記屈折光入力構造が、反対方向に傾斜した屈折入力ファセットの複数の対を備える、請求項１７に記載の照明装置。
【請求項19】
少なくとも１つの反射屈折断面平面において、傾斜した入力ファセットの前記複数の対が、等しい、かつ反対の傾斜角で傾斜しており、前記反射屈折光学アレイの平面において、傾斜した屈折入力ファセットの前記複数の対が、円形にまたは楕円形に対称である、請求項１８に記載の照明装置。
【請求項20】
前記入力基板の前記透過表面が、前記屈折光入力構造間の平面領域を備える、請求項１７～１９のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項21】
各反射屈折光学素子の前記反射表面が、前記反射表面と入力基板の透過入力表面との間に配置されている反射光入力構造を備え、各反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、前記反射光入力構造が、第１の内面と、第１の内面に面している第２の内面と、を備え、
前記反射屈折光学アレイの各反射屈折光学素子について、屈折光入力構造および反射光入力構造が、それぞれの位置合わせされた少なくとも１つのＬＥＤからの少なくともいくつかの光を、前記反射屈折光学アレイ内でガイドされる前記光であるように、方向付けるように配置されている、請求項１～２０のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項22】
各反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、前記第１および第２の内面が、湾曲した反射表面を備える、請求項２１に記載の照明装置。
【請求項23】
各反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、前記反射表面の光反射ファセットが、反対の傾斜角で傾斜している傾斜したファセットの対によって提供されている、請求項１～２２のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項24】
前記反射表面が、前記反射表面の光反射ファセットのうちの少なくともいくつかの間の反射平面領域を備える、請求項１～２３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項25】
前記反射表面の光反射ファセットのうちのいくつかが、各反射屈折光学素子の透過出力表面を通して、前記透過出力表面に対して実質的に垂直な方向に、少なくともいくつかの光を方向付けるように配置されている、請求項１～２４のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項26】
前記反射屈折光学アレイの平面において、光反射ファセットが、各反射屈折光学素子の光軸を中心として円形にまたは楕円形に対称である、請求項１～２５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項27】
各反射屈折光学素子の複数の光反射ファセットが、各反射屈折光学素子の光軸と同心である、請求項１～２６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項28】
各反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射屈折光学素子の光反射ファセットが、各反射屈折光学素子の前記光軸からの距離と共に減少する間隔を伴って配置されている、請求項１～２７のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項29】
各反射屈折光学素子について、光反射ファセットの長さが、各反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加している、請求項１～２８のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項30】
各反射屈折光学素子について、光反射ファセットの総面積が、各反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加している、請求項１～２９のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項31】
各反射屈折光学素子について、光軸から距離ｒでの少なくとも１つの光反射ファセットの総面積が、距離ｒに比例している、請求項１～３０のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項32】
各反射屈折光学素子の前記反射表面上に配置された光反射ファセットのうちのいくつかが、前記反射屈折光学アレイ内でガイドされなかった光を方向付けるように配置されている、請求項１～３１のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項33】
複数の不透明マスク領域を備え、各反射屈折光学素子用の透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面が、各反射屈折光学素子の光軸と位置合わせされる不透明マスク領域を備え、前記複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤのそれぞれが、前記不透明マスク領域と前記反射表面との間に配置されており、
前記不透明マスク領域が、屈折光出力構造と前記複数のＬＥＤのうちの１つ以上の前記ＬＥＤのそれぞれとの間に提供されている、請求項１～３２のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項34】
前記複数の不透明マスク領域が、ＬＥＤアドレス指定電極によって提供されている、請求項３３に記載の照明装置。
【請求項35】
各反射屈折光学素子の前記反射表面のいくつかの光反射ファセットが、屈折光出力構造に光を方向付けるように配置されている、請求項１～３４のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項36】
各反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光出力構造が、負の光学パワーを提供するように配置された凹状屈折表面を備える、請求項１～３５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項37】
少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光出力構造が、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセットの複数の対を備える、請求項１～３６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項38】
各反射屈折光学素子について、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセットの前記複数の対が、各反射屈折光学素子の光軸を中心として透過出力表面の平面内で円形にまたは楕円形に対称である、請求項３７に記載の照明装置。
【請求項39】
透過ＬＥＤ支持基板の少なくとも１つの表面上に配置された拡散体構造をさらに備える、請求項３～３８のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項40】
屈折光出力構造からの光の角度光出力分布が、屈折光出力構造を含まない透過出力基板の領域を通じて透過する、複数の光反射ファセットからの光の前記角度光出力分布と実質的に同じである、請求項３２～３９のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項41】
各反射屈折光学素子の前記反射表面から反射された光の偏光再循環を提供するように配置された反射偏光子をさらに備える、請求項１～４０のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項42】
ランバート光源の光度半値立体角に対する出力光円錐の前記光度半値立体角の比率が、１未満、好ましくは５０％未満、より好ましくは２５％未満、最も好ましくは１０％未満である、請求項１～４１のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項43】
波長変換層をさらに備える、請求項１～４２のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項44】
前記波長変換層が、前記複数のＬＥＤのうちのＬＥＤと各反射屈折光学素子の前記反射表面との間に配置されている、請求項４３に記載の照明装置。
【請求項45】
前記波長変換層が、前記反射屈折光学アレイから光を受光するように配置されている、請求項４３または４４に記載の照明装置。
【請求項46】
前記複数のＬＥＤのうちのＬＥＤの各々の電極が、１つの列アドレス指定電極および１つの行アドレス指定電極にそれぞれ接続されている、請求項１～４５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項47】
１つ以上のＬＥＤを制御し、かつ前記ＬＥＤアレイ内に位置する集積回路をさらに備える、請求項１～４６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項48】
前記集積回路が、ストレージ、メモリまたはラッチ機能を備える、請求項４７に記載の照明装置。
【請求項49】
前記複数のＬＥＤのうちのＬＥＤが、互いに対するそれらの元のモノリシックウエハの位置および配向が保存されたアレイ内に配置されたモノリシックウエハからのものであり、少なくとも１つの方向において、前記少なくとも１つの方向の前記複数のＬＥＤの少なくとも１つ対について、各それぞれの対について、前記少なくとも１つの方向において、ＬＥＤの前記対の間で前記モノリシックウエハ内に位置決めされていたが、ＬＥＤの前記アレイ内で、対の間で位置決めされていない、前記モノリシックウエハ内の少なくとも１つのそれぞれのＬＥＤが存在していた、請求項１～４８のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項50】
前記複数のＬＥＤのうちのＬＥＤは、幅または直径が３００マイクロメートル未満、好ましくは２００マイクロメートル未満、より好ましくは１００マイクロメートル未満のマイクロＬＥＤである、請求項１～４９のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項51】
少なくとも１つの反射屈折断面平面において、透過出力表面と反射表面との間の距離が、７５０マイクロメートル未満、好ましくは５００マイクロメートル未満、より好ましくは２５０マイクロメートル未満である、請求項１～５０のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項52】
請求項１～５１のいずれか一項に記載の前記照明装置と、透過ＬＥＤ支持基板を通じて透過した光を受光するように配置された透過型空間光変調器と、を備える、ディスプレイ装置。
【請求項53】
請求項１～５１のいずれか一項に記載の照明装置を備える、液晶ディスプレイ用のバックライト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、複数の反射屈折光学素子に位置合わせされた複数のアドレス指定可能な発光素子を備える照明装置に関する。そのような装置は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用の高精細指向性バックライトとして使用され得る。装置は、空間的に均一なエリアから指向性照明を提供するためにさらに使用され得る。
【背景技術】
【0002】
薄型基板およびポリマー基板のＬＣＤパネルは、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）ディスプレイと同様の可撓性などの機械特性を提供し得る。そのような薄型基板ＬＣＤは、同様の機械特性を有するバックライトを使用することが望ましい。
【0003】
ハイダイナミックレンジＬＣＤ（ＨＤＲ－ＬＣＤ）は、ＬＣＤ光学モード単独で提供され得るダイナミックレンジよりも優れたダイナミックレンジを達成し得る。低解像度画像データを用いてアドレス指定されるＬＥＤ（発光ダイオード）などの光源アレイは、ローカルディミングＬＣＤバックライトで提供され、それにより、画像の暗いエリアは、低輝度のバックライトによって照明され、明るいエリアは、高輝度で照明される。
【0004】
ＬＣＤバックライトの１つのタイプは、導光板と、導光板の一端にあるＬＥＤなどの入力光源アレイとを備える。導波管内の全反射によって伝搬する光は、導波管内の光の伝搬角度を調節し、導波管の外側をかすめるのに近い角度での抽出を可能にする表面特徴によって出力される。そのような光は、方向転換フィルムおよび／または後部反射体によって、法線方向にＬＣＤに向けられる。そのような光学スタックは、高効率を有し得るが、バックライトの総厚さは、典型的には、１ｍｍ以上の複数の光学構成要素を有し得る。そのようなエッジ照明された導光板は、典型的には、ＨＤＲ－ＬＣＤ照明用の２次元ローカルディミング、または自由形式の形状のＬＣＤには適していない。
【0005】
米国特許出願第ＵＳ２０１７０２６１１７９号に記載されているなどの、ＬＣＤの背後にある行列に発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを組み込む他の既知のバックライトは、複数の空間的に分離されパッケージ化されたＬＥＤおよび複数の「蝙蝠翼」光学素子を備え、各蝙蝠翼光学素子は、パッケージ化されたＬＥＤからの光を横方向に向けるように配置される。そのような光は、強く拡散されて、出力照明を提供する。そのようなバックライトは、高価なピックアンドプレースＬＥＤおよび個々の光学系の位置合わせを必要とし、エッジ照明されるバックライトと比較して厚さが厚く、効率が低下する。
【0006】
自動車のヘッドライト、建築用、商業用、または家庭用の照明などの環境照明用の照明システムは、例えば、スポットライト効果を提供するために集束光学系によって、狭い指向性光出力分布を提供し得るか、または、例えば、拡散光学系によって、広い指向性光出力分布を達成し得る。
【0007】
本明細書では、ＬＥＤは、モノリシックウエハ、すなわち、半導体素子から直接抽出された、パッケージ化されていないＬＥＤダイチップを指す。これは、電極を提供するためにリードフレームに取り付けられており、かつその後の組み立てを容易にするためにプラスチックパッケージに組み立てられ得る、パッケージ化されたＬＥＤとは異なる。パッケージ化されたＬＥＤは、典型的には、１ｍｍ超の寸法、より典型的には３ｍｍ超の寸法であり、ピックアンドプレース方法を含む従来のプリント回路基板アセンブリ技術によって組み立てられる。そのような組み立て機械によって配置される構成要素の精度は、典型的には、プラスまたはマイナス約３０マイクロメートルであり得る。そのようなサイズおよび許容誤差は、非常に高解像度のディスプレイへの適用を妨げる。
【0008】
マイクロＬＥＤは、複数のＬＥＤがモノリシックウエハから並列に取り出されるアレイ抽出方法によって形成され得、５マイクロメートル未満の位置許容誤差で配置され得る。
【0009】
白色ＬＥＤ光源は、赤、緑、青、および黄色などの別個のスペクトルバンドから構成され得、各々、別個のＬＥＤ素子によって作成される。そのような光源は、ユーザが別個の色を分解することを可能にし、ランプ内の光源の間隔の結果として、色付き照明パッチを作成することができる。それらの間隔が視覚的な解像度の限界未満であるように、光源が均質化されていることが望ましい。
【0010】
反射屈折素子は、屈折表面（屈折光学）および反射表面（反射光学）を組み合わせ、全反射または金属化された表面からの反射を提供し得る。小さい出力光度立体角を有する反射屈折光学素子を使用するバックライトは、その全体が参照により本明細書に組み込まれるＷＯ２０１００３８０２５に説明されている。
【発明の概要】
【0011】
本開示の第１の態様によると、照明装置であって、ＬＥＤアレイに配置された複数のＬＥＤであって、複数のＬＥＤが、マイクロＬＥＤまたはミニＬＥＤであり、複数のＬＥＤの各々が、それぞれの光出力分布を有する光を出力するように配置されている、複数のＬＥＤと、反射屈折光学アレイに配置された複数の反射屈折光学素子であって、各反射屈折光学素子が、反射表面、および反射表面に面している透過表面を備える、複数の反射屈折光学素子と、を備え、各反射屈折光学素子について、反射表面が、透過表面を通じてＬＥＤのうちの１つ以上からの光出力を受光するように、かつ透過表面を通じて受光された光を反射して戻し、それによって、それぞれの光出力分布を有する方向転換された光を提供するように配置されており、各反射屈折光学素子によって提供される方向転換された光の光出力分布が、複数のＬＥＤの各々による光出力の光出力分布の光度半値立体角よりも小さい光度半値立体角を有する、照明装置が提供される。
【0012】
有利には、厚さよりも著しく大きいピッチを有する薄型指向性照明装置が提供され得る。均一な出力照明プロファイルが達成され得、それにより、照明装置は、高い均一性を有する透過型空間光変調器用のバックライトとして提供され得る。所与の電力消費に対して、正面出力輝度は、ランバート照明と比較して増加し得る。所与の正面輝度に対して、消費電力は、増加し得る。
【0013】
複数のＬＥＤからの光の少なくともいくつかは、少なくとも部分的に全反射を介して、反射屈折光学アレイ内でガイドされ得る。
【0014】
複数のＬＥＤの各々は、少なくとも１つの透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面上に配置されており、透過出力表面は、透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面によって提供されており、透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面は、透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面に面している。有利には、照明装置内の構成要素の数が低減され得、コストおよび複雑さを低減すると共に、厚さを低減する。
【0015】
各反射屈折光学素子の反射表面は、入力基板の第１の表面上に配置され得、反射表面に面している入力基板の第２の表面は、透過入力表面を備え、透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面は、透過入力表面に面している。有利には、デバイスの厚さは、所与の光路長に対して低減され得る。
【0016】
反射屈折光学アレイ内でガイドされ得る複数のＬＥＤからの光は、少なくとも部分的に全反射を介して、反射表面と透過入力表面との間でガイドされる。有利には、マイクロＬＥＤからの光は、広い面積にわたって分散され得る。各マイクロＬＥＤによって照明される面積が増加するため、必要なマイクロＬＥＤが少なくなり、コストが低減され得る。
【0017】
各反射屈折光学素子は、光軸を含み得る。
【0018】
各光軸は、ＬＥＤのうちのそれぞれ１つ以上と対応して位置合わせされ得、ＬＥＤの各々は、反射屈折光学素子のうちの１つのみの光軸と対応して位置合わせされている。
【0019】
照明装置は、ＬＥＤアレイ内に配置されたさらなる複数のＬＥＤをさらに備え得、さらなる複数のＬＥＤは、マイクロＬＥＤまたはミニＬＥＤである。各光軸は、さらなる複数のＬＥＤのうちのＬＥＤのうちの１つ以上からオフセットされ得る。さらなる複数のＬＥＤのうちのＬＥＤの各々は、反射屈折光学素子の少なくとも１つの光軸からオフセットされ得る。
【0020】
各反射屈折光学素子について、反射表面は、透過表面を通じてさらなる複数のＬＥＤのうちの１つ以上からの光出力を受光するように、かつ透過表面を通じて受光された光を反射して戻し、それによって、それぞれの光出力分布を有する方向転換された光を提供するように配置され得る。
【0021】
さらなる複数のＬＥＤからの光出力を使用して各反射屈折光学素子によって提供される方向転換された光の光出力分布は、複数のＬＥＤからの光出力を使用して各反射屈折光学素子によって提供される方向転換された光の光度半値立体角よりも大きい光度半値立体角を有し得る。
【0022】
光出力分布は、狭い出力立体角と広い立体角出力との間で切り替えられ得る。有利には、１つの動作モードでは、例えば、プライバシーを提供するための低迷光出力、正面視に対する高い効率、または夜間動作を提供し、第２の動作モードでは、広範囲の視認自由度および向上した均一性を有する、ディスプレイが提供され得る。
【0023】
反射屈折光学アレイの各反射屈折光学素子について、透過表面は、透過表面上に配置され、かつ反射屈折光学素子の光軸と対応して位置合わせされた、少なくとも１つの屈折光出力構造を備え得る。有利には、光出力は、別の方法ではマイクロＬＥＤによって遮蔽されることになる出力表面のエリア内での制御可能な角度分布によって達成され得、広範囲の出力角度の向上した均一性を提供し、マイクロＬＥＤの領域内でのダークスポットの出現を最小限に抑える。均一性が向上する。
【0024】
入力基板は、複数の反射屈折光学素子の光軸間を延在する集積体として形成され得る。有利には、共通位置合わせステップは、複数のマイクロＬＥＤに対して複数の反射屈折光学素子のために提供され得、コストおよび複雑さを低減し、堅牢性を向上させる。
【0025】
ＬＥＤ支持基板は、複数の反射屈折光学素子の光軸間を延在する集積体として形成され得る。有利には、多くのマイクロＬＥＤが基板上に並列に配置され得、既知の間隔を提供する。反射屈折光学アレイへの位置合わせの均一性が提供され得、均一性を向上させ、位置合わせコストを低減し、堅牢性を向上させる。
【0026】
透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面と反射屈折素子の透過表面との間に透明材料が提供され得る。反射屈折光学アレイ内でガイドされる複数のＬＥＤからの光は、反射表面と透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面との間でガイドされ得る。入力基板が作製される材料よりも低い屈折率を有する透明材料は、複数のＬＥＤと反射屈折光学素子の透過表面との間に配置され得る。透明な材料は、空気であってもよい。有利には、堅牢性が向上し、熱変動に対する感度が低下し得る。さらに、光出力の空間的均一性が向上し得る。
【0027】
反射屈折光学アレイの反射表面は、反射表面上に形成された反射層を備え得る。反射層は、金属材料を含み得る。反射層は、反射屈折光学アレイの反射表面を覆うように延在し得る。有利には、反射表面に臨界角未満で入射する光は、法線方向に近い方向または反射屈折光学アレイ内をガイドする方向での出力のために反射され得る。反射された表面からの反射の全体的な効率が向上し得、出力効率が向上する。
【0028】
各反射屈折光学素子の反射表面は、複数の光反射ファセットを備え得る。
【0029】
各反射屈折光学素子について、入力基板の透過表面は、反射屈折光学素子のそれぞれの光軸と対応して位置合わせされた屈折光入力構造をさらに備え得る。各屈折光入力構造は、透過入力表面と入力基板の反射表面との間に配置され得る。光軸に近い場所で出力に方向付けられる光の光度は、増加し得る。有利には、マイクロＬＥＤの近くのダークスポットの出現が低減され、均一性が向上する。
【0030】
反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光入力構造は、反対方向に傾斜した屈折入力ファセットの複数の対を備え得る。
【0031】
少なくとも１つの反射屈折断面平面において、傾斜した入力ファセットの複数の対は、等しい、かつ反対の傾斜角で傾斜し得る。反射屈折光学アレイの平面において、傾斜した屈折入力ファセットの複数の対は、円形にまたは楕円形に対称であり得る。有利には、出力微細構造の厚さは、低減され得、総厚さを低減する。
【0032】
入力基板の透過表面は、屈折光入力構造間の平面領域を備え得る。反射表面は、反射表面の光反射ファセットのうちの少なくともいくつかの間に反射平面領域を備え得る。有利には、光は、外側領域にガイドされ得、デバイス面積を増加させ、厚さを低減し、マイクロＬＥＤの総コストを低減する。
【0033】
各反射屈折光学素子の反射表面は、反射表面と入力基板の透過入力表面との間に配置されている反射光入力構造を備え得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射光入力構造は、第１の内面と、第１の内面に面している第２の内面と、を備え得る。反射屈折光学アレイの各反射屈折光学素子について、屈折光入力構造および反射光入力構造は、それぞれの位置合わせされた少なくとも１つのＬＥＤからの少なくともいくつかの光を、反射屈折光学アレイ内でガイドされる光であるように、方向付けるように配置され得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、第１および第２の内面は、湾曲した反射表面を備え得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射表面の光反射ファセットは、反対の傾斜角で傾斜している傾斜したファセットの対によって提供され得る。有利には、光は、外側領域にガイドされ得、デバイス面積を増加させ、厚さを低減し、マイクロＬＥＤの総コストを低減する。
【0034】
反射表面の光反射ファセットのうちのいくつかは、透過出力表面に対して実質的に垂直な方向に、反射屈折光学素子の透過出力表面を通して、少なくともいくつかの光を方向付けるように配置され得る。有利には、追加の光偏向フィルムが使用されず、厚さおよび動作の複雑さの低減を達成する。
【0035】
反射屈折アレイの平面において、光反射ファセットは、各反射屈折光学素子の光軸を中心として円形にまたは楕円形に対称であり得る。各反射屈折光学素子の複数の光反射ファセットは、当該反射屈折光学素子の光軸と同心であり得る。有利には、光出力は、反射屈折光学素子の面積にわたって高い均一性で提供され得る。
【0036】
反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射屈折光学素子の光反射ファセットは、反射屈折素子の光軸からの距離と共に減少する間隔を伴って配置され得る。各反射屈折光学素子について、光反射ファセットの長さは、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加し得る。各反射屈折光学素子について、光反射ファセットの総面積は、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加し得る。各反射屈折光学素子について、光軸から距離ｒでの少なくとも１つの光反射ファセットの総面積は、距離ｒに比例し得る。有利には、反射屈折光学素子の各領域から提供される輝度は、マイクロＬＥＤからの距離に関係なく、実質的に同じであり得る。ムラおよびモアレ効果は、バックライト装置では、最小限に抑えられ得る。
【0037】
反射屈折光学素子の反射表面上に配置された光反射ファセットのうちのいくつかは、反射屈折光学アレイ内でガイドされなかった光を方向付けるように配置され得る。有利には、光軸に近い光のいくつかは、ガイドされた光が出力される領域と実質的に同じ輝度を提供するように出力され得る。
【0038】
照明装置は、複数の不透明マスク領域を備え得、各反射屈折光学素子用の透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面は、反射屈折光学素子の光軸と位置合わせされる不透明マスク領域を備える。複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤのそれぞれは、マスク領域と反射表面との間に配置され得る。不透明マスク領域は、屈折光出力構造と複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤのそれぞれとの間に提供され得る。有利には、光軸の近くの出力角度方向分布は、光軸の近くではない領域の出力角度方向分布と実質的に同じであり得る。
【0039】
複数の不透明マスク領域は、ＬＥＤアドレス指定電極によって提供され得る。有利には、ＬＥＤ支持基板の製作の複雑さが低減され得、コストを低減する。
【0040】
それぞれの反射屈折光学素子の反射表面のいくつかの光反射ファセットは、屈折光出力構造に光を方向付けるように配置され得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光出力構造は、負の光学パワーを提供するように配置された凹状屈折表面を備え得る。少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光出力構造は、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセットの複数の対を備え得る。各反射屈折光学素子について、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセットの複数の対は、反射屈折光学素子の光軸を中心として透過出力表面の平面内で円形にまたは楕円形に対称であり得る。有利には、光軸に近い光の角度方向分布は、反射屈折光学素子の他の領域からの角度方向分布と実質的に同じであり得る。
【0041】
照明装置は、透過ＬＥＤ支持基板の少なくとも１つの表面上に配置された拡散体構造をさらに備え得る。有利には、追加の拡散体層が低減されるか、または排除され得、厚さを低減する。
【0042】
屈折光出力構造からの光の角度光出力分布は、屈折光出力構造を含まない透過出力基板の領域を通じて透過する、複数の反射光反射ファセットからの光の角度光出力分布と実質的に同じであり得る。有利には、反射屈折光学素子にわたる出力均一性は、広範囲の視認方向に対して実質的に同じであり得る。
【0043】
反射屈折光学素子の反射表面から反射された光の偏光再循環を提供するように配置された反射偏光子をさらに備え得る。有利には、偏光された出力の効率が向上し得る。さらに、再循環された光は、追加の反射層なしで反射表面によって効率的に再利用され得、コストおよび複雑さを低減する。可撓性の湾曲した屈曲可能な照明構造は、層の数が低減された薄型照明装置によって好都合に提供され得る。
【0044】
ランバート光源の光度半値立体角に対する出力光円錐の光度半値立体角の比率は、１未満、好ましくは５０％未満、より好ましくは２５％未満、最も好ましくは１０％未満であり得る。有利には、ディスプレイ輝度は、所与の電力消費に対して増加し得るか、またはディスプレイ電力消費は、所与のディスプレイ輝度に対して低減され得る。さらに、高視野角で低輝度を有するプライバシーディスプレイ用のバックライトが提供され得る。
【0045】
照明装置は、波長変換層をさらに備え得る。有利には、白色光出力が提供され得る。
【0046】
波長変換層は、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤと各反射屈折光学素子の反射表面との間に配置され得る。有利には、出力の角度方向分布が低減され得る。
【0047】
波長変換層は、反射屈折光学アレイから光を受光するように配置され得る。有利には、波長拡散層は、さらなる拡散体機能を提供し、出力の向上した均一性を提供し得る。
【0048】
複数のＬＥＤのうちのＬＥＤの各々の電極は、１つの列アドレス指定電極および１つの行アドレス指定電極にそれぞれ接続され得る。有利には、複数のマイクロＬＥＤは、ＬＣＤと協働して、高ダイナミックレンジ動作のためのローカルエリアディミングを提供し得る。ディスプレイのコントラストは、エリア照明と比較して向上し得る。
【0049】
照明装置は、１つ以上のＬＥＤを制御し、かつＬＥＤアレイ内に位置する集積回路をさらに備え得る。集積回路は、ストレージ、メモリまたはラッチ機能を備え得る。有利には、照明装置のエッジの幅は、小さいベゼル幅および可撓性のために低減され得る。
【0050】
複数のＬＥＤのうちのＬＥＤは、互いに対するそれらの元のモノリシックウエハの位置および配向が保存されたアレイ内に配置されたモノリシックウエハからのものであり得る。少なくとも１つの方向において、少なくとも１つの方向の複数のＬＥＤの少なくとも１つ対について、各それぞれの対について、少なくとも１つの方向において、ＬＥＤの対の間でモノリシックウエハ内に位置決めされていたが、ＬＥＤのアレイ内で、対の間で位置決めされていない、モノリシックウエハ内の少なくとも１つのそれぞれのＬＥＤが存在していた場合がある。有利には、マイクロＬＥＤのピッチは、モノリシックウエハから基板への移動時に決定され得る。反射屈折光学素子は、多数のマイクロＬＥＤが多数の反射屈折光学素子に精密に位置合わせされ得るように、実質的に同じピッチを有し得る。有利には、照明装置の位置合わせのコストおよび複雑さが低減される。
【0051】
複数のＬＥＤのうちのＬＥＤは、幅または直径が３００マイクロメートル未満、好ましくは２００マイクロメートル未満、より好ましくは１００マイクロメートル未満のマイクロＬＥＤであり得る。少なくとも１つの反射屈折断面平面において、透過出力表面と反射表面との間の距離は、７５０マイクロメートル未満、好ましくは５００マイクロメートル未満、より好ましくは２５０マイクロメートル未満であり得る。有利には、薄型の明るい指向性照明装置が提供され得る。高解像度ローカルエリアディミングがさらに提供され得る。
【0052】
本開示の第２の態様によると、第１の態様による照明装置と、透過ＬＥＤ支持基板を通じて透過した光を受光するように配置された透過型空間光変調器と、を備える、ディスプレイ装置が提供される。有利には、薄型ディスプレイは、ローカルエリアディミング、高コントラスト、高解像度、高均一性、自由形式の形状、非常に小さいベゼル幅および可撓性を備え得る。さらに、そのようなディスプレイは、省電力、明るい照明環境での非常に高い輝度、低照度環境での低迷光、およびディスプレイが限られた視野角のみから視認可能であるようにプライバシー動作を提供し得る。
【0053】
本開示の第３の態様によると、第１の態様による照明装置を備える液晶ディスプレイ用のバックライト装置が提供される。
【0054】
本開示の第４の態様によると、照明装置であって、複数のＬＥＤであって、複数のＬＥＤが、ＬＥＤアレイ内に配置されており、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤが、マイクロＬＥＤである、複数のＬＥＤと、光出力分布を提供する反射屈折光学アレイであって、光出力分布が、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤからの光出力である、反射屈折光学アレイと、を備え、反射屈折光学アレイが、複数の反射屈折光学素子を備え、複数の反射屈折光学素子が、アレイ内に配置されており、複数の反射屈折光学素子のうちの反射屈折光学素子の各々が、光軸を含み、反射屈折光学素子の各々の光軸が、複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤのそれぞれと対応して位置合わせされ、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤの各々が、反射屈折光学アレイのそれぞれの反射屈折光学素子のうちの１つのみの光軸と位置合わせされており、反射屈折光学アレイの各反射屈折光学素子が、反射表面上に配置され、かつ光軸と対応して位置合わせされた複数の光反射ファセットと、反射表面に面している透過出力表面と、を備え、複数のＬＥＤが、反射面と等価出力表面との間に配置され、複数のＬＥＤが、反射表面を照明するように配置され、複数のＬＥＤからの光の少なくともいくつかが、反射屈折光学アレイ内でガイドされ、複数の光反射ファセットが、反射屈折光学アレイの透過出力表面を通して光を方向付けるように配置され、光出力分布が、複数のＬＥＤの各々からの光出力分布の光度半値立体角よりも小さい光度半値立体角を有する、照明装置が提供される。
【0055】
有利には、厚さよりも著しく大きいピッチを有する薄型指向性照明装置が提供され得る。均一な出力照明プロファイルが達成され得、それにより、照明装置は、高い均一性を有する透過型空間光変調器用のバックライトとして提供され得る。所与の電力消費に対して、正面出力輝度は、ランバート照明と比較して増加し得る。所与の正面輝度に対して、消費電力が増加し得る。
【0056】
複数のＬＥＤは、少なくとも１つの透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面上に配置され得、透過出力表面は、透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面によって提供され得、透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面は、透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面に面している。有利には、照明装置内の構成要素の数が低減され得、コストおよび複雑さを低減すると共に、厚さを低減する。
【0057】
各反射屈折光学素子の反射表面は、入力基板の第１の表面上に配置され得、反射表面に面している入力基板の第２の表面は、透過入力表面を備え得、透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面は、透過入力表面に面している。有利には、デバイスの厚さは、所与の光路長に対して低減され得る。
【0058】
反射屈折光学アレイ内でガイドされる複数のＬＥＤからの光は、反射表面と透過入力表面との間でガイドされ得る。有利には、マイクロＬＥＤからの光は、広い面積にわたって分散され得る。各マイクロＬＥＤによって照明される面積が増加するため、必要なマイクロＬＥＤが少なくなり、コストが低減され得る。
【0059】
反射屈折光学アレイの各反射屈折光学素子について、透過出力表面は、透過出力表面上に配置され、かつ反射屈折光学素子の光軸と対応して位置合わせされた、少なくとも１つの屈折光出力構造を備え得る。有利には、光出力は、別の方法ではマイクロＬＥＤによって遮蔽されることになる出力表面のエリア内での制御可能な角度分布によって達成され得、広範囲の出力角度の向上した均一性を提供し、マイクロＬＥＤの領域内でのダークスポットの出現を最小限に抑える。均一性が向上する。
【0060】
入力基板は、複数の反射屈折光学素子の光軸間を延在する集積体として形成され得る。有利には、共通位置合わせステップは、複数のマイクロＬＥＤに対して複数の反射屈折光学素子のために提供され得、コストおよび複雑さを低減し、堅牢性を向上させる。
【0061】
ＬＥＤ支持基板は、複数の反射屈折光学素子の光軸間を延在する集積体として形成され得る。有利には、多くのマイクロＬＥＤが基板上に並列に配置され得、既知の間隔を提供する。反射屈折光学アレイへの位置合わせの均一性が提供され得、均一性を向上させ、位置合わせコストを低減し、堅牢性を向上させる。
【0062】
透明材料は、透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面と透過入力表面との間に提供されており、反射屈折光学アレイ内でガイドされる複数のＬＥＤからの光は、反射表面と透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面との間でガイドされ得る。有利には、堅牢性が向上し、熱変動に対する感度が低下し得る。
【0063】
反射屈折光学アレイの反射表面は、反射表面上に形成された反射層を備え得る。反射層は、反射屈折光学アレイの反射表面を覆うように延在し得る。有利には、反射表面に臨界角未満で入射する光は、法線方向に近い方向または反射屈折光学アレイ内をガイドする方向での出力のために反射され得る。反射された表面からの反射の全体的な効率が向上し得、出力効率が向上する。
【0064】
各反射屈折光学素子について、入力基板の透過表面は、それぞれの光軸に位置合わせされた屈折光入力構造をさらに備え得、各光入力構造は、透過入力表面と入力基板の反射表面との間に配置されている。光軸に近い場所で出力に方向付けられる光の光度は、増加し得る。有利には、マイクロＬＥＤの近くのダークスポットの出現が低減され、均一性が向上する。
【0065】
反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光入力構造は、反対方向に傾斜した屈折入力ファセットの複数の対を備え得る。
【0066】
少なくとも１つの反射屈折断面平面において、傾斜した入力ファセットの複数の対は、等しい、かつ反対の傾斜角で傾斜し得、反射屈折光学アレイの平面において、傾斜した屈折入力ファセットの複数の対は、円形にまたは楕円形に対称であり得る。有利には、出力微細構造の厚さが低減され得、総厚さを低減する。
【0067】
入力基板の透過表面は、屈折光入力構造間の平面領域を備え得る。反射表面は、反射表面の光反射ファセットのうちの少なくともいくつかの間に反射平面領域を備え得る。有利には、光は、外側領域にガイドされ得、デバイス面積を増加させ、厚さを低減し、マイクロＬＥＤの総コストを低減する。
【0068】
各反射屈折光学素子の反射表面は、反射表面と入力基板の透過入力表面との間に配置され得る反射光入力構造を備え得、反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射光入力構造は、第１の内面と、第１の内面に面している第２の内面と、を備え得、反射屈折光学アレイの各反射屈折光学素子について、屈折光入力構造および反射光入力構造は、それぞれの位置合わせされた少なくとも１つのＬＥＤからの少なくともいくつかの光を、反射屈折光学アレイ内でガイドされる光であるように、方向付けるように配置され得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、第１および第２の内面は、湾曲した反射表面を備え得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射表面の光反射ファセットは、反対の傾斜角で傾斜している傾斜したファセットの対によって提供され得る。有利には、光は、外側領域にガイドされ得、デバイス面積を増加させ、厚さを低減し、マイクロＬＥＤの総コストを低減する。
【0069】
反射表面の光反射ファセットのうちのいくつかは、透過出力表面に対して実質的に垂直な方向に、反射屈折光学素子の透過出力表面を通して、少なくともいくつかの光を方向付けるように配置され得る。有利には、追加の光偏向フィルムが使用されず、厚さおよび動作の複雑さの低減を達成する。
【0070】
反射屈折アレイの平面において、光反射ファセットは、各反射屈折光学素子の光軸を中心として円形にまたは楕円形に対称であり得る。反射屈折光学素子の各々の複数の光反射ファセットは、当該反射屈折光学素子の光軸と同心であり得る。有利には、光出力は、反射屈折光学素子の面積にわたって高い均一性で提供され得る。
【0071】
各反射屈折光学素子について、光反射ファセットの長さは、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加し得る。各反射屈折光学素子について、光反射ファセットの総面積は、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加し得る。各反射屈折光学素子について、光軸から距離ｒでの少なくとも１つの光反射ファセットの総面積は、距離ｒに比例し得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射屈折光学素子の光反射ファセットは、反射屈折素子の光軸からの距離と共に減少する間隔を伴って配置され得る。反射屈折光学素子の平面において、光反射ファセットの長さは、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加し得る。反射屈折光学素子の平面において、光反射ファセットの総面積は、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加し得る。反射屈折光学素子の平面において、光反射ファセットの総面積は、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離に比例し得る。有利には、反射屈折光学素子の各領域から提供される輝度は、マイクロＬＥＤからの距離に関係なく、実質的に同じであり得る。ムラおよびモアレ効果は、バックライト装置では、最小限に抑えられ得る。
【0072】
反射屈折光学素子の反射表面上に配置された光反射ファセットのうちのいくつかは、反射屈折光学アレイ内でガイドされなかった光を方向付けるように配置され得る。有利には、光軸に近い光のいくつかは、ガイドされた光が出力される領域と実質的に同じ輝度を提供するように出力され得る。
【0073】
照明装置は、複数の不透明マスク領域を備え得、各反射屈折光学素子用の透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面は、反射屈折光学素子の光軸と位置合わせされる不透明マスク領域を備え得、複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤのそれぞれは、マスク領域と反射表面との間に配置され得、不透明マスク領域は、屈折光出力構造と複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤのそれぞれとの間に提供され得る。有利には、光軸の近くの出力角度方向分布は、光軸の近くではない領域の出力角度方向分布と実質的に同じであり得る。
【0074】
複数の不透明マスク領域が、ＬＥＤアドレス指定電極によって提供され得る。有利には、ＬＥＤ支持基板の製作の複雑さが低減され得、コストを低減する。
【0075】
それぞれの反射屈折光学素子の反射表面のいくつかの光反射ファセットは、屈折光出力構造に光を方向付けるように配置され得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光出力構造は、負の光学パワーを提供するように配置された凹状屈折表面を備え得る。少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光出力構造は、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセットの複数の対を備え得る。各反射屈折光学素子について、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセットの複数の対が、反射屈折光学素子の光軸を中心として透過出力表面の平面内で円形にまたは楕円形に対称であり得る。
【0076】
有利には、光軸に近い光の角度方向分布は、反射屈折光学素子の他の領域からの角度方向分布と実質的に同じであり得る。
【0077】
照明装置は、透過ＬＥＤ支持基板の少なくとも１つの表面上に配置された拡散体構造をさらに備え得る。有利には、追加の拡散体層が低減されるか、または排除され得、厚さを低減する。
【0078】
屈折光出力構造からの光の角度光出力分布が、屈折光出力構造を含まない透過出力基板の領域を通して透過される複数の反射光反射ファセットからの光の角度光出力分布と実質的に同じであり得る。有利には、反射屈折光学素子にわたる出力均一性は、広範囲の視認方向に対して実質的に同じであり得る。
【0079】
反射屈折光学素子の反射表面から反射された光の偏光再循環を提供するように配置された反射偏光子をさらに備え得る。有利には、偏光された出力の効率が向上し得る。さらに、再循環された光は、追加の反射層なしで反射表面によって効率的に再利用され得、コストおよび複雑さを低減する。可撓性の湾曲した屈曲可能な照明構造は、層の数が低減された薄型照明装置によって好都合に提供され得る。
【0080】
ランバート光源の光度半値立体角に対する出力光円錐の光度半値立体角の比率が、１未満、好ましくは５０％未満、より好ましくは２５％未満、最も好ましくは１０％未満であり得る。有利には、ディスプレイ輝度は、所与の電力消費に対して増加し得るか、またはディスプレイ電力消費は、所与のディスプレイ輝度に対して低減され得る。さらに、高視野角で低輝度を有するプライバシーディスプレイ用のバックライトが提供され得る。
【0081】
照明装置は、波長変換層をさらに備え得る。有利には、白色光出力が提供され得る。
【0082】
波長変換層が、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤと各反射屈折光学素子の反射表面との間に配置され得る。有利には、出力の角度方向分布が低減され得る。
【0083】
波長変換層が、反射屈折光学アレイから光を受光するように配置され得る。有利には、波長拡散層が、さらなる拡散体機能を提供し、出力の向上した均一性を提供し得る。
【0084】
複数のＬＥＤのうちのＬＥＤの各々の電極が、１つの列アドレス指定電極および１つの行アドレス指定電極にそれぞれ接続され得る。有利には、複数のマイクロＬＥＤは、ＬＣＤと協働して、高ダイナミックレンジ動作のためのローカルエリアディミングを提供し得る。ディスプレイのコントラストは、エリア照明と比較して向上し得る。
【0085】
照明装置は、１つ以上のＬＥＤを制御し、かつＬＥＤアレイ内に位置する集積回路をさらに備え得る。集積回路は、メモリまたはラッチ機能を備え得る。有利には、照明装置のエッジの幅が、小さいベゼル幅および可撓性のために低減され得る。
【0086】
複数のＬＥＤのうちのＬＥＤが、それらの元のモノリシックウエハの位置および互いに対する配向が保存されたアレイ内に配置されたモノリシックウエハからのものであり得、少なくとも１つの方向において、少なくとも１つの方向の複数のＬＥＤの少なくとも１つの対について、各それぞれの対について、少なくとも１つの方向では、ＬＥＤの対の間でモノリシックウエハ内に位置決めされたが、ＬＥＤのアレイ内では、それらの対の間で位置決めされていない、モノリシックウエハ内の少なくとも１つのそれぞれのＬＥＤが存在していた。有利には、マイクロＬＥＤのピッチは、モノリシックウエハから基板への移動時に決定され得る。反射屈折光学素子は、多数のマイクロＬＥＤが多数の反射屈折光学素子に精密に位置合わせされ得るように、実質的に同じピッチを有し得る。有利には、照明装置の位置合わせのコストおよび複雑さが低減される。
【0087】
複数のＬＥＤのうちのＬＥＤは、幅または直径が３００マイクロメートル未満、好ましくは２００マイクロメートル未満、より好ましくは１００マイクロメートル未満のマイクロＬＥＤであり得る。少なくとも１つの反射屈折断面平面において、透過出力表面と反射表面との間の距離は、７５０マイクロメートル未満、好ましくは５００マイクロメートル未満、より好ましくは２５０マイクロメートル未満であり得る。有利には、薄型かつ明るい指向性照明装置が提供され得る。高解像度ローカルエリアディミングがさらに提供され得る。
【0088】
本開示の第５の態様によると、第４の態様の照明装置と、透過ＬＥＤ支持基板を通して透過した光を受光するように配置された透過型空間光変調器と、を備える、ディスプレイ装置が提供される。有利には、薄型ディスプレイは、ローカルエリアディミング、高コントラスト、高解像度、高均一性、自由形式の形状、非常に小さいベゼル幅および可撓性を備え得る。さらに、そのようなディスプレイは、省電力、明るい照明環境での非常に高い輝度、低照度環境での低迷光、およびディスプレイが限られた視野角のみから視認可能であるようにプライバシー動作を提供し得る。
【0089】
本開示の第６の態様によると、照明装置であって、複数のＬＥＤであって、複数のＬＥＤが、ＬＥＤアレイ内に配置されており、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤが、ミニＬＥＤである、複数のＬＥＤと、第１の表面および第１の表面に面している第２の表面を備える透過ＬＥＤ支持基板であって、複数のＬＥＤが、透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面上に配置されている、透過ＬＥＤ支持基板と、光出力分布を提供する反射屈折光学アレイであって、光出力分布が、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤからの光出力である、反射屈折光学アレイと、を備え、反射屈折光学アレイが、複数の反射屈折光学素子を備え、複数の反射屈折光学素子が、アレイ内に配置されており、複数の反射屈折光学素子のうちの反射屈折光学素子の各々が、光軸を含み、反射屈折光学素子の各々の光軸が、複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤのそれぞれと対応して位置合わせされ、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤの各々が、反射屈折光学アレイのそれぞれの反射屈折光学素子のうちの１つのみの光軸と位置合わせされており、反射屈折光学アレイが、反射表面および反射表面に面している透過表面を備え、透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面が、反射屈折光学アレイの透過表面に面し、複数のＬＥＤからの光のうちの少なくともいくつかが、反射表面と透過表面との間の反射屈折光学アレイ内でガイドされ、反射屈折光学アレイの各反射屈折光学素子が、反射表面上に配置された複数の光反射ファセットを備え、複数の光反射ファセットのうちの少なくともいくつかが、反射屈折光学アレイの透過表面を通して、かつ透過ＬＥＤ支持基板を通して、反射屈性光学アレイの反射表面と透過表面との間でガイドされる光を方向付けるように配置されている、照明装置が提供される。反射屈折光学アレイは、集積体として形成され得、反射屈折光学アレイの反射表面および透過表面が、複数のＬＥＤ間を延在する。反射屈折光学アレイの反射表面は、反射屈折光学アレイの反射表面を覆うように延在する反射コーティングを備え得る。各反射屈折光学素子の透過表面は、透過表面と反射表面との間に配置されている屈折光入力構造を備え得、各屈折光入力構造は、反射屈折光学素子の光軸と位置合わせされ得、反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光入力構造は、等しい、かつ反対の傾斜角で傾斜している、反対方向に傾斜した屈折ファセットの複数の対を備え得、反射屈折アレイの平面において、傾斜した屈折ファセットの複数の対は、円形にまたは楕円形に対称であり得る。各反射屈折光学素子の反射表面は、反射表面と、光ガイド表面への入力基板の透過入力表面との間に配置される反射光入力構造を備え得、反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射入力構造は、第１の内面と、第１の内面に面している第２の内面と、を備え、屈折光入力構造および反射光入力構造は、反射屈折光学アレイの反射表面と透過表面との間の反射屈折光学アレイ内でガイドされるように、それぞれの位置合わせされた少なくとも１つＬＥＤからの光を方向付けるように配置され得る。反射表面の光反射ファセットは、反対の傾斜角で傾斜している傾斜したファセットの対によって提供され得、反射屈折アレイの平面において、光反射ファセットは、円形にまたは楕円形に対称であり得、当該反射屈折光学素子の光軸と同心である。反射表面の光反射ファセットは、少なくともいくつかの光を、反射屈折光学アレイの透過表面および透過ＬＥＤ基板を通して、透過ＬＥＤ基板の表面に垂直な方向に方向付けるように配置され得る。反射屈折光学素子の光軸を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射屈折光学素子の光反射ファセットは、反射屈折素子の光軸からの距離と共に減少する間隔を伴って配置され得る。反射屈折アレイの平面において、光反射ファセットの長さは、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加し得、光反射ファセットの総面積は、それぞれの反射屈折光学素子の光軸からの距離と共に増加する。照明装置は、反射屈折光学素子の反射表面上に配置され、かつ反射屈折光学素子の反射表面と透過表面との間をガイドされていない、位置合わせされたＬＥＤからの光を、透過ＬＥＤ基板を通して方向付けるように配置された、光反射ファセットをさらに備え得る。透過ＬＥＤ支持基板の第１の表面は、反射屈折光学素子の光軸と位置合わせされている複数の不透明マスク領域を備え得、複数のＬＥＤのうちの１つ以上のＬＥＤのそれぞれは、不透明マスク領域の各々の上に配置され、複数の不透明マスク領域は、ＬＥＤアドレス指定電極によって提供され得る。それぞれの反射屈折光学素子の反射表面のいくつかの光反射ファセットは、光を、ＬＥＤ支持基板の第１の表面を通して、透過ＬＥＤ支持基板の第２の表面に配置され、かつ反射屈折光学素子の光軸と位置合わせされた、出力屈折構造に方向付け、少なくとも１つの反射屈折断面平面において、出力屈折構造は、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセットの複数の対を備え得る。照明装置は、透過ＬＥＤ支持基板の少なくとも１つの表面上に配置された拡散体構造をさらに備え得る。
【0090】
本開示の第７の態様によると、第６の態様による照明装置を備える液晶ディスプレイ用のバックライト装置が提供される。
【0091】
そのような装置は、ＬＣＤバックライトのために、または家庭用もしくは業務用照明のために使用され得る。
【0092】
本開示のこれらのおよび他の特徴および利点は、本開示をその全体にわたって読むことで、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0093】
実施形態が、例として添付図面に例示され、同様の参照番号は、同様の部位を示す。
【0094】
【図1】ＬＣＤを照明するように配置されたマイクロＬＥＤおよび反射屈折光学素子を備えるバックライトを備えるディスプレイ装置を側面斜視図で例示する概略図である。
【図2】ＬＣＤを照明するように配置されたマイクロＬＥＤアレイおよび反射屈折光学素子アレイを備えるバックライトを備えるディスプレイ装置を上面図で例示する概略図である。
【図3】ＬＣＤを照明するように配置されたマイクロＬＥＤアレイおよび反射屈折光学素子アレイを備えるバックライトを備えるディスプレイ装置の層を分解正面図で例示する概略図である。
【図4A】マイクロＬＥＤからの光線と、反射屈折入力基板の光入力微細構造を備える反射屈折光学素子とを上面図で例示する概略図である。
【図4B】拡散された出力を提供するように配置されたＬＥＤ支持基板の透過出力表面を上面図で例示する概略図である。
【図5A】ランバート方向分布との比較における方向分布の光度変動を例示する概略グラフである。
【図5B】ランバート方向分布との比較における正規化された方向分布の光度変動を例示する概略グラフである。
【図7】マイクロＬＥＤからの光線と、反射屈折入力基板の平面透過表面を備える反射屈折光学素子とを上面図で例示する概略図である。
【図10】透過ＬＥＤ支持基板の少なくとも１つの表面上に設けられた拡散体構造の配置を正面図で例示する概略図である。
【図11A】反射屈折光学素子の六方充填による反射表面の光反射ファセットの配置を正面図で例示する概略図である。
【図11B】反射屈折光学素子の正方形充填による反射表面の光反射ファセットの配置を正面図で例示する概略図である。
【図11D】反射屈折光学素子アレイの反射表面構造を側面図で例示する概略図である。
【図12A】反射屈折光学素子アレイの反射表面構造、および狭角視野と広角視野との間の切り替えを提供するように配置された第１および第２のマイクロＬＥＤアレイを正面図で例示する概略図である。
【図13A】反射屈折光学素子の入力領域および位置合わせされたマイクロＬＥＤを上面図で例示する概略図である。
【図13B】マイクロＬＥＤからの光線と、反射屈折基板に取り付けられているＬＥＤ支持基板を備える反射屈折光学素子とを上面図で例示する概略図である。
【図13C】マイクロＬＥＤからの光線と、透明基板の第２の側面が反射屈折基板に取り付けられている透明ＬＥＤ支持基板を備える反射屈折光学素子とを上面図で例示する概略図である。
【図14A】反射入力構造が集積体を含まない、反射屈折光学アレイおよび複数のマイクロＬＥＤを上面図で例示する概略図である。
【図14B】反射屈折バックライトおよびＬＣＤを備える湾曲したディスプレイを上面図で例示する概略図である。
【図15A】ＬＣＤを照明するように配置された、マイクロＬＥＤおよび反射屈折光学素子を備えるバックライトを備えるディスプレイ装置を側面斜視図で例示する概略図であり、反射屈折光学素子が、反射屈折光学素子によるガイドを提供するように配置された領域を含まない。
【図15B】配置された反射屈折光学素子を側面図で例示する概略図であり、反射屈折光学素子が、反射屈折光学素子によるガイドを提供するように配置された領域を含まず、マイクロＬＥＤが、光軸と位置合わせされて配置されている。
【図15C】２次元反射屈折光学素子および位置合わせされたマイクロＬＥＤのアレイを側面斜視図で例示する概略図である。
【図15D】１次元反射屈折光学素子および位置合わせされたマイクロＬＥＤのアレイを側面斜視図で例示する概略図である。
【図15E】配置された反射屈折光学素子を側面図で例示する概略図であり、マイクロＬＥＤが、それぞれの位置合わせされた反射屈折光学素子の光軸からオフセットして配置されている。
【図15F】配置された反射屈折光学素子を側面図で例示する概略図であり、反射屈折光学素子において、第１および第２のマイクロＬＥＤが、それぞれの位置合わせされた反射屈折光学素子の光軸から、それぞれ第１および第２の距離だけオフセットして配置されている。
【図16A】複数のＬＥＤのアドレス指定システムを例示する概略図である。
【図16B】複数のＬＥＤのアドレス指定システムを例示する概略図である。
【図16C】複数のＬＥＤのアドレス指定システムを例示する概略図である。
【図16D】複数のＬＥＤのアドレス指定システムを例示する概略図である。
【図17A】複数の屈折光入力構造を形成するための工具を側面斜視図で例示する概略図である。
【図17B】複数の屈折光入力構造を備える入力基板を側面斜視図で例示する概略図である。
【図17C】複数の反射光入力構造を形成するための工具を側面斜視図で例示する概略図である。
【図17D】複数の屈折光入力構造を備える入力基板、および複数の反射構造を備える反射表面を側面斜視図で例示する概略図である。
【図17E】コーティングされた入力基板を側面斜視図で例示する概略図である。
【図18A】複数の屈折光出力構造および拡散表面を備えるＬＥＤ支持基板を側面斜視図で例示する概略図である。
【図18B】複数のアドレス指定電極をさらに備えるＬＥＤ支持基板を側面斜視図で例示する概略図である。
【図18C】複数の不透明マスク領域をさらに備えるＬＥＤ支持基板を側面斜視図で例示する概略図である。
【図19A】モノリシックＬＥＤウエハを側面斜視図で例示する概略図である。
【図19B】モノリシックＬＥＤウエハからのマイクロＬＥＤのスパースアレイの抽出を側面斜視図で例示する概略図である。
【図20】本開示による、入力基板およびＬＥＤ支持基板を備えるバックライトのアセンブリを側面斜視図で例示する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0095】
ディスプレイ、ディスプレイバックライト、または家庭用もしくは業務用の環境照明用の薄型照明装置を提供することが望ましい。環境照明は、部屋、オフィス、建物、シーン、街路、設備、またはその他の照明環境の照明を含み得る。ディスプレイバックライトは、液晶ディスプレイなどの透過型空間光変調器を照明するように配置された照明装置を意味する。ディスプレイバックライトのマイクロＬＥＤは、例えば、本明細書に説明されるように、高ダイナミックレンジ動作で画像情報を提供され得る。しかしながら、一般に、画素データは、空間光変調器によって提供される。
【0096】
高ダイナミックレンジのローカルエリアディミング、薄型パッケージ、広い間隔の光源アレイおよび高い均一性を提供し得る空間光変調器用の薄型バックライトを提供することがさらに望ましい。高均一性、高効率およびＨＤＲ機能を有する適切な光出力分布を達成する、非常に狭いベゼル幅を有する薄型基板ＬＣＤ用の薄型の、可撓性かつ自由形式の形状（例えば、円形）のバックライトを提供することがさらに望ましい。
【0097】
ここで、様々な切り替え可能なディスプレイデバイスの構造および動作が説明される。この説明では、共通の要素は、共通の参照番号を有する。任意の要素に関する開示は、同じまたは対応する要素が提供される各デバイスに適用されることに留意されたい。したがって、簡潔化のために、そのような開示は、繰り返されない。
【0098】
図１は、マイクロＬＥＤと、ＬＣＤ２００を照明するように配置された反射屈折光学素子の単位セルと、を備える、バックライトを備える、ディスプレイ装置を側面斜視図で例示す概略図であり、図２は、ディスプレイ装置の光軸１１ａ、１１ｂを通る断面平面の上面図を例示する概略図であり、ディスプレイ装置は、マイクロＬＥＤアレイ、およびＬＣＤ２００を照明するように配置された反射屈折光学素子１００の２つの単位セル３８ａ、３８ｂを備える。
【0099】
動作時、マイクロＬＥＤ３は、矢印１０３で示されるように、空間光変調器４８から離れて反射表面６４に向かう方向に光線を提供する。光線は、矢印１０５で示されるように、反射表面６４で反射され、反射屈折光学素子３８を通って戻るように方向付けられる。本実施形態では、矢印１０３、１０５によって例示される折り返し光路は、本明細書にさらに説明されるように、個々のマイクロＬＥＤの面積よりもはるかに広い面積にわたって高い光効率、薄い厚さおよび高い均一性を有利に達成する。
【0100】
照明装置は、複数のＬＥＤであって、複数のＬＥＤが、ＬＥＤアレイに配置され、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤが、マイクロＬＥＤ３である、複数のＬＥＤと、光出力分布を提供する反射屈折光学アレイ１００と、を備え、光出力分布が、複数のマイクロＬＥＤ３のうちのＬＥＤからの光出力である。
【0101】
反射屈折光学アレイ１００は、複数の反射屈折光学素子３８を備え、複数の反射屈折光学素子３８は、アレイに配置され、複数の反射屈折光学素子の反射屈折光学素子３８の各々は、光軸１１を含み、したがって、図２では、隣接する光軸１１ａ、１１ｂは、各反射屈折光学素子３８ａ、３８ｂとそれぞれ関連付けられ、各反射屈折光学素子３８ａ、３８ｂは、アレイ１００の単位セルである。反射屈折光学素子３８の各々の光軸１１は、複数のマイクロＬＥＤ３のうちのマイクロＬＥＤ３のそれぞれ１つ以上と対応して位置合わせされ、複数のマイクロＬＥＤ３のマイクロＬＥＤ３の各々は、反射屈折光学アレイ１００のそれぞれの反射屈折光学素子３８の１つのみの光軸１１と位置合わせされている。
【0102】
複数の反射屈折光学素子３８は、典型的には、反射屈折光学アレイ１００の平面内に２次元アレイとして配置され得る。代替的に、反射屈折光学アレイは、反射屈折光学アレイの平面内の方向に細長い、１次元であってもよい。
【0103】
反射屈折光学アレイ１００の各反射屈折光学素子３８は、反射表面６４上に配置され、かつ光軸１１と位置合わせされた、複数の光反射ファセット７０、７２を備える反射表面６４を備える。各反射屈折光学素子３８は、透過出力面５２上に配置され、かつ光軸１１に対して位置合わせされた、少なくとも１つの屈折光出力構造５６を備える透過出力面５２をさらに備える。透過出力表面５２は、反射表面６４に面している。
【0104】
ディスプレイ装置は、マイクロＬＥＤ３アレイおよび反射屈折光学アレイ１００を備えるバックライト装置と、透過ＬＥＤ支持基板５０を通して透過した光を受け取るように配置された透過型空間光変調器２００と、を備える。典型的には、透過型空間光変調器２００は、入力偏光子２０４、基板２０６、液晶層２０８、基板２１０および出力偏光子２１２を有する液晶ディスプレイを備える。反射偏光子２０２および拡散体２０３を備えるさらなる層が提供されてもよい。
【0105】
有利には、アドレス指定可能な照明は、薄型光学スタックで提供され得る。基板２０６、２１０は、可撓性であり得る１５０マイクロメートル以下の厚さなどの薄型基板を備え得る。薄型基板は、マイクロシートガラス、化学機械研磨によって薄くされたガラス、またはポリイミドもしくは無色ポリイミドなどのポリマー基板とすることができる。有利には、湾曲しているかまたは可撓性ディスプレイに使用され得るＬＣＤが、以下でさらに説明されるように、提供され得る。
【0106】
さらに、空間光変調器２００の総厚さは、１ｍｍ未満、好ましくは５００マイクロメートル未満、最も好ましくはモバイルディスプレイなどの用途のために２５０マイクロメートル未満であり得る。実質的にゼロのベゼル、例えば、５００マイクロメートル未満のベゼル幅を提供するために、制御電子部品が空間光変調器のアクティブエリア内に提供されてもよい。以下でさらに説明されるように、円形ディスプレイなどの空間光変調器のさらなる自由形式の形状が達成され得る。
【0107】
空間光変調器４８と同じかまたはそれよりも薄い厚さを有し、可撓性であり、ディスプレイのｘ軸およびｙ軸寸法が同様である非常に狭いベゼル幅の照明を提供し得るバックライト光学システム、ならびに自由形式ディスプレイを提供することが望ましい。さらに、高ダイナミックレンジ、有利には、向上した画像コントラストを達成するために空間光変調器２００を照明するように、アドレス指定可能な光源アレイを提供することが望ましい。
【0108】
本開示の目的のために、複数のＬＥＤ３は、幅または直径が３００マイクロメートル未満、好ましくは２００マイクロメートル未満、より好ましくは１００マイクロメートル未満である。１００～５００マイクロメートルの最小幅または直径を有するＬＥＤはまた、ミニＬＥＤとも称され得る。
【0109】
そのようなマイクロＬＥＤ３は、空間光変調器２００上に提供される赤、緑、および青の画像画素２２０、２２２、２２４の幅よりも実質的に大きくなり得る最小幅または直径を有する。
【0110】
例示的な例では、画素２２０、２２２、２２４は、例えば、２５×７５マイクロメートルのピッチを有し得る。マイクロＬＥＤ３は、１００マイクロメートルである幅または直径を有し得、反射屈折光学素子３８は、少なくとも１つの反射屈折断面に１ｍｍであるピッチを有し得る。したがって、マイクロＬＥＤ３は、５００を超える画像画素２２０、２２２、２２４を照明するように配置され得る。
【0111】
複数のマイクロＬＥＤ３は、透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面５４上に配置され、反射屈折光学素子３８の透過出力表面５２は、透過ＬＥＤ支持基板５０の第２の表面によって提供される。透過ＬＥＤ支持基板５０の第２の表面５２は、透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面５４に面している。ＬＥＤ支持基板５０は、複数の反射屈折光学素子３８の光軸１１の間に延在する集積体として形成される。
【0112】
有利には、製造および組み立て中、複数のマイクロＬＥＤ３は、以下にさらに説明されるように、電極７、８および他の電子構成要素を備え得る、透過ＬＥＤ支持基板５０の表面５４上に簡便に組み立てられ得る。
【0113】
電極８は、マイクロＬＥＤ３への電気接続を提供するように配置され、バックライトコントローラ１３０からの信号が提供される。ディスプレイコントローラ２３０は、画像画素２２０、２２２、２２４に画像データを提供するように配置され、ＬＥＤアレイのＬＥＤ３に画像データが提供されるように、バックライトコントローラ１３０に画像データをさらに提供し得る。向上した画像コントラストを有利に達成するために、高ダイナミックレンジ動作が提供され得る。
【0114】
各反射屈折光学素子３８の反射表面６４は、入力基板６０の第１の表面６２上に配置され、透過入力表面６２は、反射表面６４に面している。透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面５４は、透過入力表面６２に面している。
【0115】
入力基板６０は、複数の反射屈折光学素子３８の光軸１１の間に延在する集積体として形成される。有利には、製造および組み立て中、光学構造は、広い面積のバックライトが簡便に提供され得るように、基板６０上に配置され得る。さらに、透過ＬＥＤ支持基板５０との位置合わせは、広い面積にわたって簡便に提供され得る。
【0116】
反射屈折光学アレイ１００の反射表面６４は、反射表面６４上に形成された反射層６５を備える。反射層６５は、反射屈折光学アレイ１００の反射表面６４を覆うように延在する。反射層は、例えば、蒸着、スパッタリング、スプレーまたは浸漬コーティングによって表面６４上に形成され得る金属層によって提供され得る。適切な金属としては、腐食を最小限に抑え、かつ水および酸素の進入に対するバリア層を提供する、保護層を備え得る銀またはアルミニウムが挙げられる。
【0117】
金属反射層６５は、表面がコーティングされていない場合、表面での臨界角未満の入射角で光の効率的な反射を達成する。ＬＣＤバックライト用の従来のエッジ照明された導波路では、導波路に沿ったガイド中に多数の表面反射が発生するため、金属は、望ましくないことに実質的な損失を提供する。本実施形態では、金属層からの反射の数は、従来の導波路と比較して少なく、したがって、金属層６５からの損失が実質的に低減される。有利には、薄型反射屈折光学素子３８は、空間光変調器４８のアクティブエリア内に配置され、かつマイクロＬＥＤ３の周囲に照明のホットスポットを提供しない、当該マイクロＬＥＤを用いて高効率で提供され得る。
【0118】
金属層６５は、例えば、反射光入力構造６８の領域を覆うように、代替的にパターン化されてもよい。有利には、金属層６５での反射に起因する損失が低減され得る。
【0119】
接着領域８０は、入力基板６０と透過ＬＥＤ支持基板５０との間にさらに提供され得る。接着領域８０は、２つの層の取り付けを提供して、堅牢な位置合わせおよび熱変化に対する低減された感度を有利に達成し得る。
【0120】
言い換えると、照明装置は、複数のＬＥＤを備え得、複数のＬＥＤは、ＬＥＤアレイに配置されており、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤは、マイクロＬＥＤ３である。ミニＬＥＤ３は、第１の表面５４と、第１の表面５４に面している第２の表面５２と、を備える、透過ＬＥＤ支持基板５０上に配置され得、複数のミニＬＥＤ３は、透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面５４上に配置される。さらに、反射屈折光学アレイ１００は、光出力分布を提供するために提供され得、光出力分布は、複数のミニＬＥＤ３のうちのミニＬＥＤ３からの光出力である。反射屈折光学アレイ１００は、複数の反射屈折光学素子３８を備え、複数の反射屈折光学素子３８は、アレイに配置され、複数の反射屈折光学素子３８の反射屈折光学素子３８の各々は、光軸１１を含む。反射屈折光学素子３８の各々の光軸１１は、複数のミニＬＥＤ３のうちのミニＬＥＤ３のそれぞれ１つ以上と対応して位置合わせされ、複数のミニＬＥＤ３のミニＬＥＤ３の各々は、反射屈折光学アレイ１００のそれぞれの反射屈折光学素子３８の１つのみの光軸１１と位置合わせされている。反射屈折光学アレイ１００は、反射表面６４と、反射表面６４に面している透過表面と、を備える。透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面は、反射屈折光学アレイ１００の透過表面に面している。複数のミニＬＥＤ３からの光のうちの少なくともいくつかは、反射表面６４と透過表面との間の反射屈折光学アレイ１００内でガイドされる。反射屈折光学アレイ１００の各反射屈折光学素子３８は、反射表面６４上に配置された複数の光反射ファセット７０を備え、複数の光反射ファセット７０のうちの少なくともいくつかは、反射屈折光学アレイ１００の透過表面を通って、かつ透過ＬＥＤ支持基板５０を通って、反射屈折光学アレイ１００の反射表面６４と透過表面との間でガイドされる光を方向付けるように配置される。
【0121】
ここで、反射屈折光学アレイ１００の平面の光学構造の配置が説明される。
【0122】
図３は、ＬＣＤ２００を照明するように配置されたマイクロＬＥＤアレイおよび反射屈折光学素子アレイ１００を備えるバックライトを備えるディスプレイ装置の層を分解正面図で例示する概略図である。
【0123】
反射表面６４は、複数のモザイク模様の多角形を含み、この例示では、六角形領域９０が、光軸１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを中心とする。六角形領域は、バックライトの幅にわたって配置され、反射表面６４の平面での各反射屈折光学素子３８の場所を表す。各反射屈折光学素子３８は、以下にさらに説明されるように反射光入力構造６８および反射ファセット７０、７２、７４を備える。
【0124】
透過入力表面６２は、反射表面６４の場合と同一のそれぞれの光軸１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを中心とする六角形領域９１を備える。屈折光入力構造６６は、光軸１１ａ、１１ｂおよび１１ｃと位置合わせされて配置されている。
【0125】
複数のマイクロＬＥＤ３は、六角形領域９２、ならびに反射表面６４の場合と同一のそれぞれの光軸１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを中心とする。
【0126】
透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面５４は、反射表面６４と同一のそれぞれの光軸１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを中心とする六角形領域９３と、電極であり得る不透明領域７と、マイクロＬＥＤ３の各々に電気接続を提供するアドレス指定電極８と、を備え、各々が、光軸１１ａ、１１ｂおよび１１ｃと位置合わせされて配置されている。
【0127】
透過出力表面５２は、反射表面６４の場合と同一のそれぞれの光軸１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを中心とする六角形領域９４と、屈折光出力構造５６と、を備える。
【0128】
透過出力表面５２を通る光出力は、拡散体２０３と、反射偏光子と、入力偏光子２０４、液晶画素層２０８、および出力偏光子２１２を備える空間光変調器２００とに入射し得る。例示の目的で、空間光変調器２００と位置合わせされた六角形構造の場所が示されており、多くの画素が各反射屈折光学素子３８によって照明され得ることを例示している。反射屈折光学アレイの反射屈折光学素子３８の配置は、最終的な出力画像のムラの出現を最小限に抑えるように提供され得る。さらに、配置は、複数のマイクロＬＥＤ３の高ダイナミックレンジアドレス指定の出現を最適化するように調節され得る。
【0129】
複数のマイクロＬＥＤ３からの光は、各反射屈折光学素子３８の面積にわたって出力輝度が実質的に空間的に均一であり、かつ光度方向分布が、その面積にわたる各領域で実質的に同じであるように分布されることが望ましい。さらに、空間光変調器２００の望ましい均一な照明を達成するために、反射屈折光学アレイ１００の隣接する反射屈折光学素子３８にわたる光出力のそのような空間的および方向的に均一な分布を提供することが望ましい。
【0130】
さらに詳細には考察されていない図３の配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0131】
ここで、光出力の空間的に均一な分布を達成する反射屈折光学アレイ１００の動作が、マイクロＬＥＤ３からの光の特定の光線経路を参照してさらに説明される。
【0132】
図４Ａは、マイクロＬＥＤ３からの光線と、反射屈折入力基板６０の光入力微細構造６６を備える反射屈折光学素子３８とを上面図で例示する概略図である。
【0133】
複数のマイクロＬＥＤ３は、反射表面６４と透過出力表面５２との間に配置される。各反射屈折光学素子３８の透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面５４は、不透明マスク領域７を備え、複数のマイクロＬＥＤ３のうちのマイクロＬＥＤ３のそれぞれ１つ以上は、マスク領域７と反射表面６４との間に配置されている。
【0134】
不透明マスク領域７は、屈折光出力構造５６と複数のマイクロＬＥＤ３のうちのマイクロＬＥＤ３のそれぞれ１つ以上との間にさらに提供されている。不透明マスク領域７は、反射屈折光学素子３８の光軸１１と位置合わせされ、例えば、アルミニウムまたは他の反射金属材料を含む、図１に例示されるようなマイクロＬＥＤ３のアドレス指定電極によって提供され得る。不透明マスク領域７にない駆動電極８は、ＩＴＯまたは銀ナノワイヤなどの透明導体材料によって提供されて、透明ＬＥＤ支持基板５０を通る光透過の向上した効率を有利に達成し得る。
【0135】
複数のマイクロＬＥＤ３は、光線３００、３０２、３０４、３０６、３０８で反射表面６４を照明するように配置される。マイクロＬＥＤ３からの光線３００、３０２、３０４、３０６、３０８は、マイクロＬＥＤ３に位置合わせされた波長変換層５に入射する。マイクロＬＥＤは、青色発光窒化ガリウムＬＥＤチップを備え得、波長変換層５は、例えば、青色光のいくつかを黄色光または赤色および緑色光に変換するように配置され得る、蛍光体または量子ドット材料を含み得る。代替的に、マイクロＬＥＤ３は、紫外発光ＬＥＤを備え得、波長変換材料は、白色光出力を提供するように配置される。
【0136】
光線３００、３０２、３０４、３０６、３０８は、反射表面６４に向かって方向付けられ、透過出力表面５２をマイクロＬＥＤ３からの光から遮断する不透明マスク領域７によって、透過出力表面５２を直接照明することを防止される。本実施形態との比較として、不透明マスク領域７が存在しない場合、マイクロＬＥＤ３からの光線は、透過出力表面５２に直接透過され、一定の視野角に対してＬＥＤの場所にホットスポットを不利に提供することになるランバート光度方向分布を有する表面５２から出力される。有利には、不透明マスク領域７は、ホットスポットの出現の低減を達成する。
【0137】
不透明マスク領域７は、反射表面６４からマイクロＬＥＤ３に向かって反射される、反射屈折光学アレイによって伝搬する光線が反射されて再循環されるように、さらに反射性であってもよい。有利には、バックライト効率が向上され得る。
【0138】
光線３００は、屈折光入力構造６６を通過するマイクロＬＥＤ３からの光線経路を例示している。光入力構造６６は、マイクロＬＥＤからの光度角度分布の再分布を提供し、以下にさらに説明される。光線３００は、反射表面６４から透過出力表面５２まで延在する反射光入力構造６８で反射表面６４上に入射する。反射屈折光学素子の光軸１１を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射光入力構造６８は、第１の内面６９ａと、第１の内面に面している第２の内面６９ｂとを備える。第１および第２の内面６９ａ、６９ｂは、湾曲した反射表面６９ａ、６９ｂを備え得る。有利には、光は、入力基板６０内で効率的に反射され得る。
【0139】
反射屈折光学アレイ１００の各反射屈折光学素子３８について、屈折光入力構造６６および反射光入力構造６８が、それぞれの位置合わせされた少なくとも１つのマイクロＬＥＤ３からの少なくともいくつかの光を、反射屈折光学アレイ１００内でガイドされる光線３００であるように、方向付けるように配置され得る。光線３００は、入力基板６０内の表面６９ａによって反射され、入力構造６６の間に延在する平面領域６３を備える透過入力基板６２にさらに入射する。光線３００は、空気を含み得る間隙９９に対する入力基板６０の界面での臨界角よりも大きい入射角を有し、反射表面６４と透過入力表面６２との間の反射屈折光学素子３８内でガイドされ、それにより、反射表面６４に向けて戻るように方向付けられ、傾斜したファセット７０ａに入射する。
【0140】
有利には、光線３００は、マイクロＬＥＤ３から遠隔である反射屈折光学素子３８の領域に方向付けられ得る。さらに、入力基板６０内での光線３００のガイドは、反射屈折光学アレイ１００の総厚さ７５の減少を達成する。
【0141】
複数の光反射ファセット７０は、反射屈折光学アレイ１００の透過出力表面５２を通して光を方向付けるように配置される。反射表面６４の光反射ファセット７０のうちのいくつかが、透過出力表面５２に対して実質的に垂直な方向に、反射屈折光学素子３８の透過出力表面５２を通して、少なくともいくつかの光を方向付けるように配置され得る。言い換えると、ファセット７０ａは、光軸１１に実質的に平行である方向にガイドされた光線３００を偏向させるように傾斜され得る。入力基板６０内をガイドする他の光線（図示せず）は、以下にさらに説明されるように、光軸１１の方向に近い他の出力角で提供され得る。
【0142】
光反射ファセット７０は、照明の制限された円錐角を有する光入力構造６８からの光円錐によって照明される。したがって、空気中に出力されるときのファセット７０からの角度出力は、非ランバート出力を有する。ファセット７０は、素子３８の幅にわたって増加したコリメーションを達成するために、湾曲した表面の素子としてさらに配置され得る。反射屈折光学素子からの照明の円錐角は、以下に説明されるように、非ランバートであり得る。有利には、ディスプレイ効率は、ランバートバックライトと比較して、正面視に関して向上され得る。さらに、高度に湾曲したディスプレイなど、ランバートディスプレイと同様の角度出力が望ましいディスプレイについて、ランバート拡散体の均一な照明が達成され得る。さらに、プライバシーディスプレイ用のバックライトは、ディスプレイが軸外の視認場所で明瞭に視認可能ではないように、低下した軸外輝度を提供され得る。
【0143】
光線３０２は、湾曲した内面６９ｂからの反射後、反射表面６４の光反射ファセット７０のうちの少なくともいくつかの間の反射平面領域７１に入射する光線経路を例示する。光線３００は、反射屈折光学アレイ１００の隣接する反射屈折光学素子３８に方向付けられるように、入力基板６０内でガイドされる。
【0144】
隣接する反射屈折光学素子３８からのそのような光線は、光線３０６によってさらに例示されている。反射表面６４の光反射ファセット７０は、反対の傾斜角で傾斜している傾斜したファセット７０ａ、７０ｂの対によって提供される。光線３０６は、傾斜した反射ファセット７０ｂに入射して、基板６０、５０の平面に実質的に垂直な方向で出力表面５２に方向付けられる。
【0145】
有利には、光線３０２、３０６は、隣接する反射屈折光学素子３８間にいくつかの混合を提供し得る。そのような混合は、２つの素子３８の間の公称界面で空間的均一性を提供し得る。さらに、光度方向分布は、公称界面で実質的に同じであり、広範囲の視野角に対して改善された均一性を達成する。有利には、表示均一性が改善される。
【0146】
光軸１１の近くで均一な出力光度分布を達成することが望ましく、入力基板６０内でガイドされなかった光について光線３０４によって例示される。反射屈折光学素子３８の反射表面６４上に配置された光反射ファセット７２のうちのいくつかが、反射屈折光学アレイ１００内でガイドされなかった光線３０４を方向付けるように配置されている。有利には、反射屈折光学素子３８の異なる領域にわたって同じである光度角度方向分布を達成しながら、空間的均一性が向上し得る。
【0147】
光線３０８は、不透明マスク７と空間光変調器２００との間の透過出力表面５２の領域から提供され得る。光線３０８は、別の方法では陰になっている表面５２の領域での照明を達成する光線経路を例示する。それぞれの反射屈折光学素子３８の反射表面６４の光反射ファセット７４は、屈折光出力構造５６に光を方向付けるように配置されている。少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光出力構造５６は、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセット５７ａ、５７ｂの複数の対を備える。図３に例示されるように、反対方向に傾斜した透過光偏向ファセット５７ａ、５７ｂの複数の対を備える屈折光出力構造５６は、透過出力表面５２の平面において、円形にまたは楕円形に対称であり得る。六角形境界が、連続アレイを提供するために反射屈折光学素子のアレイで使用され得る。ファセット７０、７２、７４は、光軸と同心であり得るが、各反射屈折光学素子３８の外側領域で中断され得る。
【0148】
例示的な実施形態を続けると、ファセット５７ａ、５７ｂは、少なくとも１つの反射屈折断面プロファイルで光軸１１に対して６０度の傾斜を有する表面法線方向を有する平面ファセットであり得る。
【0149】
接着領域８０は、入力基板６０内でガイドする光線３１６のうちのいくつかが透明ＬＥＤ支持基板５０内でガイドするように方向付けられるように、透明材料をさらに含み得る。そのようなガイド光は、不均一性の低減を提供し得、基板５０の上または中の拡散によって、または屈折光出力構造５６によって抽出され得る。
【0150】
ここで、光入力構造６６の動作がさらに説明される。
【0151】
図４Ａに例示されるように、少なくとも１つの反射屈折断面平面で各反射屈折光学素子３８について、入力基板６０の透過表面６２は、それぞれの光軸１１に位置合わせされた屈折光入力構造６６を備える。各光入力構造６６は、入力基板６０の透過入力表面６２から反射表面６４まで延在している。言い換えると、屈折光入力構造６６は、入力基板６０の透過入力表面６２上に配置された微細構造であり得る。屈折入力構造６６は、基板６０内に完全にまたは部分的に凹んでもよく、または表面６２から隆起してもよい。屈折入力構造６６は、例えば、ＵＶキャスティング、印刷、エンボス加工または射出成形によって、ポリマーまたはガラスなどの透明基板の表面上に形成され得る。
【0152】
屈折光入力構造６６は、少なくとも１つの反射屈折断面平面において、法線方向に対して等しい、かつ反対の傾斜角で傾斜し得る、反対方向に傾斜した屈折入力ファセット６７ａ、６７ｂの複数の対を備える。図３に例示されるように、反射屈折光学アレイ３８の平面において、傾斜した屈折入力ファセット６７ａ、６７ｂの複数の対は、円形にまたは楕円形に対称である。例示的な実施形態では、各入力ファセットは、平面表面を有し得、光軸１１に対する各表面６７ａ、６７ｂの角度は、５２度であり得る。微細構造のピッチは、例えば、５０ミクロンであり得る。有利には、屈折入力ファセット６７ａ、６７ｂは、浅い深さを有し得、バックライトの総厚さ７５を最小限に抑える。
【0153】
ＬＣＤを備える空間光変調器２００からの不要な偏光を再利用することが望ましい。反射偏光子２０２は、反射屈折光学素子３８の反射表面６４から反射された光の偏光再循環を提供するように配置される。入射光線３０８、３１０は、典型的には、偏光されておらず、単一偏光状態３１１は、透過されるが、直交偏光状態は、反射される。１／４波長板であり得る任意のリターダ２０１は、反射された偏光状態を反射表面６４の平面領域７１に修正するように配置され得る。反射された光は、直交偏光状態に変換され、かつ反射偏光子２０２を透過する偏光状態を有する。有利には、効率が改善され得る。さらに、反射偏光子および／またはリターダ上に配置された拡散体層は、空間的均一性をさらに高め、ムラの可視性を低減するように配置され得る。従来の光再循環バックライトと比較して、別個の後部反射体層（典型的には、０．１ｍｍ以上の厚さを有する）が使用されないため、厚さおよびコストが低減される。
【0154】
さらに詳細には考察されていない図４Ａの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0155】
拡散体２０３は、表面および／またはバルク拡散構造によって提供され得る。出力屈折微細構造５６から出力される光のための拡散体を提供することが望ましい場合がある。
【0156】
図４Ｂは、ＬＥＤ支持基板の透過出力表面５２の屈折光入力構造６６および屈折光出力構造５６を備える反射屈折光学素子３８の詳細を上面図で例示する概略図であり、透過出力表面５２に配置された構造５６が、拡散された出力をさらに提供する。
【0157】
透過光偏向ファセット５７ａ、５７ｂは、表面５７ａ、５７ｂからの光線３０８に対する光円錐立体角３４２が、表面５２上に配置され得る拡散体表面３５２からの円錐３４０と実質的に同じであるように、湾曲した表面を備え得る。
【0158】
したがって、屈折光出力構造５６からの光の角度光出力分布が、屈折光出力構造５６を含まない透過出力基板の領域を通じて透過する、複数の反射光反射ファセット７０からの光の角度光出力分布と実質的に同じであり得る。
【0159】
さらに詳細には考察されていない図４Ｂの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0160】
ここで、マイクロＬＥＤ３の出力および屈折光入力構造６６が、さらに説明される。図４Ｂでは、マイクロＬＥＤ３から法線方向に放出される光線は、屈折光入力構造６６に向かって方向付けられ、光軸１１に対して傾斜した反射表面６４に向かって偏向される。ここで、ランバートマイクロＬＥＤの光出力が、さらに説明される。
【0161】
図４Ｃは、少なくとも１つの反射屈折断面平面において、屈折光入力構造６６から、光入力構造６６と反射表面６４との間に配置され、かつ反射表面６４への入射前に受光するように配置された、公称検出器平面１７への照明角度５０２を有する、模擬された出力光度５００のプロファイル５０４を例示する概略グラフである。さらに詳細には考察されていない図４Ｃの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応するように想定され得る。
【0162】
プロファイル５０４は、軸上の方向に窪み５０５を有し、したがって、低減された光度は、図４Ａの屈折光入力構造６８の尖点６９ｃの軸方向の場所に向かって方向付けられる。ファセット６７ａ、６７ｂは、図４Ａの後部反射表面の反射ファセット７４を照明するピーク５０７の近くの方向に増加した光度を提供し、屈折光出力構造５６に方向付けられる光線３０８の光度を増加させる。
【0163】
有利には、増加した光度が屈折光出力構造５６の領域に提供され、透過出力表面５２にわたる出力の均一性が向上され得る。さらに、ＬＥＤ支持基板５０の厚さおよび総厚さ７５が低減され得る。光は、出力表面５２の他の領域と一致する空間的および角度的な光度分布を与えられ得る。広範囲の視野角からのディスプレイの均一性が維持され得、画像ムラを最小限に抑える。
【0164】
少なくとも１つの反射屈折断面平面において、透過出力表面５２と反射表面６４との間の距離７５は、７５０マイクロメートル未満、好ましくは５００マイクロメートル未満、より好ましくは２５０マイクロメートル未満である。そのような薄い厚さは、（ｉ）反射屈折光学アレイ内でガイドする光、（ｉｉ）出力微細構造５６の薄い厚さ、（ｉｉｉ）反射光学系の使用、および（ｉｖ）屈折入力微細構造６６によって提供される反射基板の薄い厚さによって達成され得る。有利には、薄型かつ可撓性のＬＣＤディスプレイは、高ダイナミックレンジローカルディミング動作を与えられ得る。
【0165】
ここで、例示的な実施形態の出力方向分布が説明される。
【0166】
図５Ａは、１つの反射屈折断面平面において、ランバート指向性分布５３０との比較における、本実施形態の反射屈折アレイ１００からの指向性分布５２０を例示する概略グラフであり、図５Ｂは、１つの反射屈折断面平面において、正規化されたランバート指向性分布５３０との比較における正規化された指向性分布５２０の立体角を例示する概略グラフである。
【0167】
光度は、光円錐内のエネルギー密度の尺度であり、単位立体角あたりのルーメンの数である。本実施形態では、光度半値立体角は、光度が各方向のピーク光度の半分である照明出力円錐の定められたサイズを説明する。
【0168】
ディスプレイの輝度は、定められた単位面積あたりの光度によって決定される。ランバート表面は、視野角に依存しない輝度を有し、表面に対する法線方向に対する観測角度の余弦に比例する光度を有する。
【0169】
光度半値立体角は、任意の方向の光度がピーク光度の５０％に低下する光の円錐によって画定される立体角である。半値全幅角２θの対称円錐の立体角Ωは、方程式１で与えられる。
Ω＝２π＊（１－ｃｏｓθ） 方程式１
Ω＝２π＊（１－ｃｏｓθ） 方程式１
【0170】
ランバート光源は、図５Ｂに例示されるＦＷＨＭ５４２が１２０度であり、かつ半角θが６０度であるように、光度の余弦分布を有する。図３に説明されている本実施形態の２次元アレイでは、方向分布もまた、２次元であり、そのため、プロファイル５２０、５３０は、出力の立体角を表す。
【0171】
本実施形態では、出力は、指向性であり、つまり、光出力分布５４０は、したがって、複数のマイクロＬＥＤ３（実質的にランバート出力を有する）の各々からの光出力分布の光度半値立体角よりも小さい光度半値立体角を有する。本実施形態は、πステラジアン未満の半値立体角を達成し、単一断面平面の半円錐角θは、６０度未満、好ましくは約４０度未満、より好ましくは約３０度未満、最も好ましくは約２０度未満である。言い換えると、ランバート光源の光度半値立体角に対する本実施形態の光度半値立体角の比率は、１未満、好ましくは５０％未満、より好ましくは２５％未満である。プライバシー表示について、比率は、１０％未満が最も好ましい。
【0172】
本開示では、角度方向分布は、ディスプレイ上のある点の光度の分布を指し、言い換えると、角度方向分布は、その点についての角度による光線密度の広がりである。ディスプレイの均一性は、任意の所与の視野角に対する反射屈折光学アレイ１００にわたる空間分布を表す。
【0173】
ここで、図４Ａの例示的な実施形態の模擬された光出力が説明される。
【0174】
図５Ｃは、図４Ａの配置の出力角度５０２に対する総出力光度５００の光線追跡による模擬された変動５１９を例示する概略グラフである。平滑化された変動５２０は、より高い光線カウントのプロファイル形状を例示する。
【0175】
図５Ｃは、反射屈折光学素子３８の出力開口を横切る全ての位置５０２についての各出力角での統合された光度５００を例示する。５０度未満のＦＷＨＭ５４０（半値光度の全角度幅）が達成され得、表面法線方向から４０度を超える角度で低出力輝度が達成され得る。図４Ａの回転対称照明システムでは、光度半値立体角Ωは、４８度であるＦＷＨＭ５４０から決定され、したがって、ランバート光源の光度半値立体角に対する光度半値立体角の比率は、１７％である。
【0176】
図５Ｃに例示される２５度の断面円錐半角θを有するＦＷＨＭ５４０は、０．１９πの光度半値立体角を達成し、したがって、ランバート拡散体の光度半値立体角よりも実質的に小さい。
【0177】
同じ電力消費に対して有利には、マイクロＬＥＤ３からの直接の出力と比較して、増加した正面輝度が提供され得る。ディスプレイの明るさおよび効率は、ランバート放射と比較して向上される。
【0178】
ここで、光軸１１からの距離による光度の変動が説明される。
【0179】
図６は、図４Ａの配置の出力開口５０２を横切る位置に対する総出力光度の光線追跡による模擬された変動５２１を例示する概略グラフである。図６は、それぞれの反射屈折光学素子３８の出力開口を横切る各位置５０２での全ての角度について統合された光度の変動５２１を例示する。
【0180】
光軸１１からの距離５０８による光度５００の変動は、反射表面６４上の入力構造６６、６８、ファセット７０、７２、７４および平面領域７１、ならびに屈折光出力構造５６の場所および角度を含む反射および屈折構造設計によって決定される。アレイにわたって向上した空間的均一性を提供するために、少なくともファセット７０、７２、７４の配置が修正され得、さらなる拡散体が反射屈折光学アレイ１００の出力に提供され得る。
【0181】
望ましくは、変動５２１は、プロファイル５２２によって例示されるように、光軸１１からの距離に比例して光度が増加する。そのような光度の増加は、光軸からの距離よる光抽出ファセット７０、７２、７４の円周または長さの増加に対する補償を提供し、したがって、単位面積あたりの均一な光度を維持し、均一な輝度を達成する。
【0182】
有利には、均一な出力輝度が、回転対称反射屈折光学素子３８での広範囲の視認方向に対して提供され得る。
【0183】
反射屈折光学素子アレイ１００の製造中の位置合わせステップの数を低減することが望ましい。
【0184】
図７は、マイクロＬＥＤ３からの光線と、反射屈折入力基板６０の平面透過表面６２を備える反射屈折光学素子３８とを上面図で例示する概略図である。したがって、図７は、図４Ａの微細構造入力構造６６と比較して、入力基板６０の透過入力表面６２のための平面入力表面を例示している。さらに詳細には考察されていない図７の配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0185】
有利には、入力基板６０の製造中、入力微細構造６６を反射入力構造６８と位置合わせする位置合わせステップが提供されず、複雑さおよびコストを低減する。
【0186】
ここで、平面入力表面６２に対する平面１７での光度プロファイルが説明される。
【0187】
図８は、少なくとも１つの反射屈折断面平面において、図４Ｃとの比較によって、平面透過入力表面６２から検出器平面１７への照明角度５０２を有する出力光度５００の模擬されたプロファイル５０６を例示する概略グラフである。図４Ｃのプロファイル５０４と比較して、プロファイル５０６は、光軸１１に実質的に平行である光線に対して窪みがないため、図４Ａに例示されるような光線３０８によって屈折光出力構造５６に方向付けられる光が少ない。微細構造７４の密度は、出力輝度の低下を補償するために増加され得る。
【0188】
ここで、図７と同様の構造の模擬された光出力が説明される。
【0189】
図９Ａは、図７の配置の出力角度に対する総出力輝度の変動を例示する概略グラフであり、図９Ｂは、図７の配置の出力開口を横切る位置に対する総出力輝度の変動を例示する概略グラフである。図５Ａ～Ｃと比較して、４５度に近い角度で輝度の増加が見られ、視認位置によって不均一性が増加し、出力構造５６の領域から方向付けられる光が少なくなる。
【0190】
本実施形態では、反射屈折光学アレイ１００からの出力を拡散して、向上した空間的および角度的均一性を提供することが望ましい。図７の説明に戻ると、さらなる表面起伏拡散体構造３５２ａ、３５２ｂが、透過ＬＥＤ支持基板５０の少なくとも１つの表面５２、５４上に配置されている。製作時、表面起伏拡散体３５２は、コストを低減するために構造５６を形成する同じ工具で形成され得る。さらに、基板５０は、例えば、充填材料３５４によって提供される、いくつかのバルク拡散特性を有し得る。
【0191】
有利には、ファセット７０、７２、７４の可視性から生じるムラ効果を低減することができる。さらに、光散乱が偏光再循環のために提供され得、効率を向上させる。
【0192】
少なくとも１つの反射屈折断面において、および少なくとも１つの反射屈折断面に対して直交する方向において、実質的に同じである光円錐角度出力を提供し、それにより、出力円錐角度が反射屈折光学アレイ１００にわたって均一であることが望ましい。
【0193】
図１０は、透過ＬＥＤ支持基板５０の表面５２、５４のうちの少なくとも１つに設けられた拡散体の配置を正面図で示す概略図である。さらに詳細には考察されていない図１０の配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0194】
拡散体構造３５２は、図７に例示される少なくとも１つの反射屈折光学断面に直交する方向に拡散を提供する半径方向に延在したレンズ表面を備え得る。動作中、ファセット７０からの光は、図５Ｃまたは図９Ａのプロファイル５２０によって例示されるような照明の角度を有し得る。断面平面に直交する平面において、光の広がりは、マイクロＬＥＤ３のサイズに関連し得る。そのような角度は、マイクロＬＥＤ３からの距離によって変動し得、プロファイル５２０の角度とは異なり得る。断面平面の円錐角３４０と同様である、断面平面に直交する光円錐角を達成することが望ましい。
【0195】
図１０のラジアルレンズは、一定の曲率半径を与えられ得、したがって、レンズのサグは、光軸１１からの距離と共に増加する。拡散は、マイクロＬＥＤ３からさらに出力される光のより高いサグ、および有利には、図７の少なくとも１つの断面平面に直交する平面での光円錐の向上した均一性によって増加し得る。有利には、方向分布の改善された空間的および角度的均一性が達成され得る。
【0196】
高い空間的および角度的均一性、非常に狭いベゼル幅、および自由形式の形状のディスプレイを提供することが望ましいであろう。ここで、本実施形態の光学構造の配置が、正面図でさらに検討される。
【0197】
図１１Ａは、六角形範囲９０および反射屈折光学素子３８の六方充填による反射表面６４の光反射ファセット７０、７２の配置を正面図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１１Ａの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0198】
反射屈折アレイ１００の平面において、光反射ファセット７０、７２、７４は、円対称である。反射屈折光学素子３８の複数の光反射ファセット７０は、当該反射屈折光学素子３８の光軸１１と同心である。
【0199】
図４Ａに説明されている光線３００、３０４、３０６、３０８の伝搬が例示されている。光軸１１に位置合わせされたマイクロＬＥＤ３からの光は、実質的に同じ光度方向分布を有する空間光変調器２００の画素２２０、２２２、２２４の各々を通じて方向付けられる。有利には、高い空間的均一性が高い効率で提供され得る。
【0200】
他の実施形態（図示せず）では、光反射ファセットは、光軸１１に関して楕円対称であり得る。楕円形の光抽出ファセット７０、７２、７４は、直交する方向に非対称の光出力円錐を提供し得、例えば、他の方向と比較して１つの方向に優先的に視認し易さを提供する。例えば、固定横長ディスプレイは、仰角方向と比較して横方向のより高い視認自由度を有し得る。有利には、向上した効率または向上した視認自由度が提供され得る。
【0201】
図２のディスプレイの下側エッジを参照すると、シール領域２０９には、画素が設けられておらず、シール領域２０９の外側には、液晶層２０８が画素２２０、２２２、２２４を含む。シール領域の幅は、１ｍｍ以下であり得る。図１１Ａは、図２の光線３０１によって例示されるように、反射屈折光学アレイ１００のエッジ上に配置された反射材料６１から反射され得る光線経路３０１をさらに例示する。有利には、ディスプレイベゼル幅が最小化され、図１１Ａに例示される湾曲したディスプレイコーナーなどの自由形式のディスプレイ形状が達成され得る。
【0202】
ディスプレイ輝度の均一性のさらなる制御を提供することが望ましい。
【0203】
回転対称反射屈折光学素子３８では、反射ファセット７０の総面積がファセットの円周に比例して距離と共に増加するため、抽出された光の光度は、光軸１１からの距離と共に低下する。円形反射ファセット７０の長さは、半径に比例して増加する。反射屈折光学アレイ１００の面積にわたって均一な輝度を維持することが望ましい。
【0204】
図６に戻ると、光度５２２の断面変動が、回転対称反射屈折光学素子３８で均一な輝度を達成するように例示されている。ここで、反射屈折光学素子からの均一な抽出された輝度の提供がさらに説明される。
【0205】
反射屈折光学素子３８の面積にわたる抽出された輝度は、素子３８にわたる任意の概念領域の入射光度および当該面積内の抽出ファセット７０の面積によって決定される。等しい幅および等しいピッチで配置されているファセット７０について、ファセット７０の総面積は、ファセット７０の円周によって決定され、マイクロＬＥＤ３からの距離と比例して増加する。各概念領域の固定された光度について、出力輝度は、素子のエッジに向かって低下し、不均一性を生じさせる。抽出された光の光度を素子３８の中心からエッジまで増加させることによって、素子３８の面積にわたって均一な輝度を維持することが望ましい。例示的な例を続けると、エッジに向かう光度の望ましい増加が、図６および図９Ｂに例示されている。
【0206】
本実施形態では、図４Ａに例示されるように、素子３８の外側概念領域でのある程度増加した光度は、マイクロＬＥＤ３から外側領域に光をガイドすることによって達成される。
【0207】
さらに、図１１Ａの実施形態では、各反射屈折光学素子３８の光反射ファセット７０は、反射屈折素子の光軸１１からの距離と共に減少する間隔を伴って配置される。したがって、単位面積あたりのファセット７０の数は、大きい半径で増加し、そのようなファセット７０の密度の増加は、増加したファセット７０の円周を補償する増加した光抽出を提供する。
【0208】
エッジ反射体６１から反射される光線について、さらなる光線３１２が示されている。有利には、非常に狭いベゼル幅は、自由形式の形状で達成され得る。
【0209】
ここで、輝度の均一な空間的均一性を達成するためのさらなる配置が説明される。
【0210】
図１１Ｂは、正方形範囲９０および反射屈折光学素子３８の正方形充填による反射表面６４の光反射ファセット７０の配置を正面図で例示する概略図である。正方形範囲９０は、図１１Ａの六角形範囲に対して異なるムラの可視性を提供し得る。さらに詳細には考察されていない図１１Ｂの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0211】
図１１Ａの配置と比較して、少なくとも１つの反射屈折断面平面のファセット７０、７２、７４の間隔は、同様であり得る。各ファセット７０、７２、７４の全長を短縮する追加の平面領域７７が提供され、その長さは、ファセット機能および光軸１１からの距離に依存して変化する。したがって、ファセット７０、７２、７４は、ファセットセグメント７９を備え得、ファセットセグメントの長さは、マイクロＬＥＤ３からの距離と共に増加する。例えば、透過ＬＥＤ支持基板５０の表面５２、５４上に配置された出力拡散体は、ファセットセグメント間の間隙に均一な出力を提供するように配置され得る。したがって、反射屈折光学素子３８の平面において、光反射ファセット７０の長さは、それぞれの反射屈折光学素子３８の光軸１１からの距離と共に増加し得る。典型的には、ファセット７０は、光反射ファセット７０の総面積が、それぞれの反射屈折光学素子３８の光軸１１からの距離と共に増加するように、反射屈折光学素子の平面内での面積を有することになる。さらに、光反射ファセット７０の総面積は、それぞれの反射屈折光学素子３８の光軸１１からの距離に比例する。図９Ｂの光度の非線形変動に対する補償が提供され得る。
【0212】
図１１Ｃは、図２に例示されるタイプの反射表面構造を有する１次元反射屈折光学素子アレイおよび位置合わせされたマイクロＬＥＤアレイを斜視側面図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１１Ｃの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0213】
図１の配置と比較して、反射屈折光学素子アレイ６０は、ｙ方向に延在されている。そのような配置は、ｘ－ｚ平面での円錐角およびｙ－ｚ平面での実質的なランバート出力の制御を提供する。ディスプレイは、ｘ軸を中心とした回転について実質的に同じ輝度で観察され、ｙ軸を中心とした回転について低下した輝度で観察され得る。有利には、快適な視認自由度が、様々なディスプレイ配向について、正面のユーザに達成され得る。さらに、そのような構成要素の製造もまた簡便に達成され得る。
【0214】
図１１Ｄは、反射屈折光学素子アレイの反射表面構造を側面図で例示する概略図であり、図１１Ｅは、図１１Ｄの構造を備える反射屈折光学素子アレイを側面図で例示する概略図であり、図１１Ｆは、図１１Ｄ、Ｅに例示されるタイプの反射表面構造を有する２次元反射光学素子アレイおよび位置合わせされたマイクロＬＥＤを斜視側面図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１１Ｄ～Ｆの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0215】
例えば、図１の配置と比較して、ファセット６４、６５は、異なる傾斜角を有し得、外面７０は、直線状であり得る。そのような構造は、低いコストおよび複雑さで加工され得る。
【0216】
例えば、動作の広角モードとプライバシーモードとの間の切り替えを達成するために、少なくとも２つの異なる輝度角度分布を達成することが望ましい場合がある。
【0217】
図１２Ａは、反射屈折光学素子アレイの反射表面構造、および狭角視野と広角視野との間の切り替えを提供するように配置された第１および第２のマイクロＬＥＤアレイを正面図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１２Ａの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0218】
照明装置は、第１の複数のＬＥＤ３Ａを備え、ＬＥＤアレイに配置された第２の複数のＬＥＤ３Ｂをさらに備え、第２の複数のＬＥＤ３Ｂは、マイクロＬＥＤまたはミニＬＥＤである。各光軸１１は、第２の複数のＬＥＤのうちのＬＥＤ３Ｂのうちの１つ以上からオフセットされ、第２の複数のＬＥＤのうちのＬＥＤ３Ｂの各々は、反射屈折光学素子のうちの少なくとも１つの光軸１１からオフセットされている（例えば、光軸１１から距離７１１で）。各光軸１１は、第１の複数のＬＥＤのうちのＬＥＤ３Ａに対応して位置合わせされ、第１の複数のＬＥＤ３Ａの各々は、反射屈折光学素子のうちの１つの光軸１１に対応して位置合わせされている。図１２Ａの実施形態では、第１のＬＥＤ３Ａは、光軸１１に配置され（距離７１１がゼロになるように）、第２のＬＥＤ３Ｂは、六角形の反射屈折光学素子３８の頂点のうちのいくつかに配置されている。
【0219】
駆動コントローラ１３０Ａは、ローカルエリアディミングによって高い画像コントラストを達成するために、画像データを含み得る駆動信号をＬＥＤ３Ａに提供するように配置されている。駆動コントローラ１３０Ｂは、ローカルエリアディミングによって高い画像コントラストを達成するために、画像データを含み得る駆動信号をＬＥＤ３Ｂに提供するように配置されている。
【0220】
図１２Ｂは、図１２Ａの第１のマイクロＬＥＤアレイのためのバックライト上の１つの領域の光度の極変動を例示する概略グラフであり、図１２Ｃは、法線方向に関する、およびｘ軸に２ｍｍのマイクロＬＥＤ３のピッチを有する例示的な実施形態に関する、図１２Ａの第１のマイクロＬＥＤアレイの光度の空間的均一性を例示する概略グラフである。
【0221】
有利には、狭い円錐角が、比較的高い空間的均一性で達成され得る。拡散体の追加は、出力光円錐の立体角を増加させながら空間的均一性を増加させるために使用され得る。望ましくは、拡散後、出力光円錐のＦＷＨＭは、３０度未満、好ましくは２５度未満、最も好ましくは２０度未満である。
【0222】
図１２Ｄは、図１２Ａの第２のマイクロＬＥＤアレイのためのバックライト上の１つの領域の光度の極変動を例示する概略グラフであり、図１２Ｅは、２ｍｍの反射屈折光学素子のピッチに関する図１２Ａの第２のマイクロＬＥＤアレイのアレイにわたる光度の空間的均一性を例示する概略グラフである。
【0223】
図１２Ｄ、Ｅに示されるように、第２の複数のＬＥＤ３Ｂからの光出力を使用して各反射屈折光学素子によって提供される方向転換された光の光出力分布が、図１２Ｂに示されている第１の複数のＬＥＤ３Ａからの光出力を使用して各反射屈折光学素子によって提供される方向転換された光の光度半値立体角よりも大きい光度半値立体角を有する。有利には、光は、ＬＥＤ３Ｂを駆動することによって広視野にわたって広がり得る。
【0224】
有利には、複数のユーザによる使用および広範囲の視認方向のための広角モードと、プライバシー表示、低迷光動作、および延長された電池寿命を伴う高い電力効率を提供し得る動作の狭角モードとの間を切り替えることができるディスプレイが提供され得る。さらに非常に高い輝度が、低電力消費のために軸上方向で達成され得る。
【0225】
光軸１１からのマイクロＬＥＤ３Ａの距離７１１は、ピーク輝度の方向が公称観察者場所に向けられるように、照明装置の面積にわたってさらに修正され得る。出力は、公称視認場所に居る観察者にとって、有利にディスプレイ輝度均一性が向上され得るように、焦点化（ｐｕｐｉｌｌａｔｅｄ）され得る。
【0226】
ここで、反射光入力構造６８および屈折光出力構造５６の代替的な配置が説明される。
【0227】
図１３Ａは、光軸１１を通る少なくとも１つの反射屈折断面平面において、反射屈折光学素子３８の入力領域および位置合わせされたマイクロＬＥＤ３を上面図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１３Ａの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0228】
ここで、透過出力表面５２上に配置された屈折光出力構造５６の動作が説明される。図１３Ａの実施形態では、屈折光出力構造５６は、負の光学パワーを提供するように配置された凹状屈折表面５５を備える。反射ファセット７４からの光線３０８は、凹状表面５５によって方向転換されて、光軸１１に対する光線の角度を低下させ、したがって、別の方法では不透明マスク７によって陰になっている領域での出力のコリメーションを改善する。さらに詳細には考察されていない図１３Ａの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0229】
【0230】
堅牢性が向上し、熱変動に対する感度が低下したバックライトを提供することが望ましい。
【0231】
図１３Ｂは、マイクロＬＥＤからの光線と、反射屈折基板に取り付けられているＬＥＤ支持基板を備える反射屈折光学素子３８とを上面図で例示する概略図である。透過材料５９が、透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面５４と透過入力表面６２との間に提供される。さらに詳細には考察されていない図１３Ｂの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0232】
複数のマイクロＬＥＤ３からの光線が、反射表面６４と透過ＬＥＤ支持基板５０の第２の表面５２との間の反射屈折光学アレイ内でガイドされる。有利には、そのようなバックライトは、熱変動および機械的変形に対する向上した堅牢性を達成し得る。
【0233】
図１３Ｂは、波長変換層２０５が反射屈折光学アレイ１００から受光するように配置されている実施形態をさらに例示する。反射屈折光学アレイ１００内を伝搬する光線３００、３０４、３０６、３０８は、例えば、青色光を含み得、光のうちのいくつかが黄色光に変換され、かつ白色光が波長変換層から拡散体３６０上に出力される、別個の波長変換層２０５に入射し得る。
【0234】
代替的に、マイクロＬＥＤは、紫外光を提供し得、波長変換層２０５は、白色出力光を達成するために提供され得る。
【0235】
波長変換層２０５の動作温度は、図４ＡのマイクロＬＥＤ３に位置合わせされた変換層５と比較して低下され得、有利には、色変換の効率が向上され得る。さらに、波長変換層２０５は、水および／または酸素の伝導を抑制するために適切な保護基板内に封入され得る量子ドット材料を含み得る。代替的に、波長変換層２０５は、波長変換材料が、第１の表面５４上、基板５０のバルク内、または出力表面５２上に提供され得る、透過ＬＥＤ支持基板によって提供され得る。そのような波長変換層２０５はまた、拡散された出力光を達成し、向上した均一性を提供する。
【0236】
図１３Ｂは、１つ以上のマイクロＬＥＤ３を制御し、ＬＥＤアレイ内に位置する、回路７２０の一部をさらに例示している。回路７２０は、１つ以上の集積回路を備え得、１つ以上のＴＦＴを備え得、コンデンサなどの１つ以上の受動構成要素を備え得る。有利には、集積回路素子は、エッジではなくアレイにわたって提供され得、低減されたベゼル幅および自由形式の形状を達成する。
【0237】
図１３Ｃは、マイクロＬＥＤ３からの光線と、透明基板の第２の側面が反射屈折基板に取り付けられている透明ＬＥＤ支持基板を備える反射屈折光学素子３８とを上面図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１３Ｃの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0238】
図１３Ｂと比較して、ＬＥＤ３は、反射入力構造６０に結合されている透明ＬＥＤ支持基板５０を通じて照明するように配置されている。有利には、デバイスの厚さは、横方向の均一性を向上するためのガイド光線３００を達成しながら、低減され得る。
【0239】
可撓性バックライトを提供することが望ましい。
【0240】
図１４Ａは、反射入力構造６０が集積体を含まない、反射屈折光学アレイおよび複数のマイクロＬＥＤを上面図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１４Ａの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0241】
各反射屈折光学素子３８ａ、３８ｂは、基板の屈曲中にある程度の機械的変形領域を提供するように配置されている間隙９７によって隣接する素子３８ｂから分離されている。反射コーティング６５は、各反射屈折光学素子３８の反射側面３６を含む各素子３８の外面にわたって延在するように配置されている。動作中、反射屈折光学アレイ内でガイドされる光は、側面３６から反射される。反射屈折光学素子の有利に増大した変形は、反射屈折光学アレイが少なくとも１次元で湾曲した形状に対応することを可能にするように提供され得る。さらに詳細には考察されていない図１４Ａの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0242】
さらに図１４Ａの実施形態では、反射屈折光学アレイ１００は、透明ＬＥＤ支持基板５０上に形成された入力基板６０を備えるように例示されている。有利には、位置合わせの堅牢性が向上し得る。
【0243】
図１４Ｂは、可撓性基板を備えるＬＣＤなどの湾曲した空間光変調器２００のための湾曲したバックライトを上面図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１４Ｂの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0244】
湾曲したディスプレイから出力される光線３００、３０２は、例えば、図５Ｃに例示されるものと比較して、増大した円錐角を有し得、それにより、固定された視認位置に居る観察者のための湾曲したディスプレイにわたるディスプレイ輝度のロールオフが低減される。増加した拡散は、基板５０内およびその上の拡散体３６０および拡散素子によって提供され得る。さらに詳細には考察されていない図１４Ｂの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0245】
マイクロＬＥＤ３のアレイを効率的なやり方でアドレス指定することが望ましい。低減された数の列電極７００および行電極７０２によってマイクロＬＥＤ３をアドレス指定することもまた、望ましい。
【0246】
反射表面７０の複雑さを低減することが望ましい場合がある。
【0247】
図１５Ａは、ＬＣＤ２００を照明するように配置された、マイクロＬＥＤ３および反射屈折光学素子３８を備えるバックライトを備えるディスプレイ装置を側面斜視図で例示する概略図であり、反射屈折光学素子３８の反射表面７０が、反射屈折光学素子３８によるガイドを提供するように配置された領域７１を含まず、図１５Ｂは、図１５Ａの反射屈折光学素子３８と、それぞれの位置合わせされた反射屈折光学素子３８の光軸１１と位置合わせされて配置されているマイクロＬＥＤ３とを側面図で例示する概略図であり、図１５Ｃは、２次元反射屈折光学素子および位置合わせされたマイクロＬＥＤのアレイを側面斜視図で例示する概略図である。
【0248】
表面７０は、狭い円錐角を有する出力光線３７０を提供するように配置されている。図２または図１１Ｄ、Ｅの配置と比較して、反射表面７０は、より単純な非ファセット形状を有するため、有利には、光散乱ならびに加工の複雑さおよびコストが低減され得る。さらに、開口幅７１５は、入力屈折表面が平面である場合、臨界角Θｃによって画定されている、透過入力表面６２に入射した光の輝度出力プロファイルに一致するように配置され得る。図８に例示されるように、反射開口のエッジでの光度のロールオフは、ピーク光度の７０％であり、望ましくは、本明細書の他の箇所に例示されているように、ＬＥＤに取り付けられた拡散体を含むバックライト装置での拡散によってさらに補正され得る、相対的に空間的に均一な出力が達成され得る。
【0249】
図１５Ｄは、１次元反射屈折光学素子および位置合わせされたマイクロＬＥＤのアレイを側面斜視図で例示する概略図である。図１５Ｃの配置と比較して、１次元の輝度ロールオフが達成され得、ｘ軸を中心としたディスプレイ回転の均一性および視認自由度を有利に向上させる。さらに、加工の複雑さがさらに低減され得る。
【0250】
プライバシーモードまたは低迷光で動作しているディスプレイの軸外視認を提供することが望ましい場合がある。
【0251】
図１５Ｅは、配置された反射屈折光学素子を側面図で例示する概略図であり、マイクロＬＥＤ３が、それぞれの位置合わせされた反射屈折光学素子３８の光軸１１から距離７１７だけオフセットして配置されている。図１５Ｂの配置と比較して、ＬＣＤ２００の軸外照明が提供され得る。有利には、制限された範囲の軸外角度から視認可能であるディスプレイ。そのようなディスプレイは、例えば、運転手または乗員のみが視認可能である車両内の中央コンソールディスプレイを提供し得る。そのようなディスプレイが広角モードと狭角モードとの間で切り替えられるように、さらなる第２の複数のＬＥＤが提供されてもよい（図示せず）。
【0252】
１つの方向よりも多くの方向から視認可能であるディスプレイを提供することが望ましい。
【0253】
図１５Ｆは、配置された反射屈折光学素子を側面図で例示する概略図であり、反射屈折光学素子において、第１および第２のマイクロＬＥＤが、それぞれの位置合わせされた反射屈折光学素子の光軸から、それぞれ第１および第２の距離だけオフセットして配置されている。
【0254】
第１および第２の複数のＬＥＤ３Ａ、３Ｂが提供され得、各ＬＥＤは、それぞれの位置合わせされた反射屈折光学素子３８の光軸１１からオフセットされている。出力光線３７４Ａは、一方向に提供され得、出力光線３７４Ｂは、異なる方向に提供され得る。そのようなディスプレイは、２人のユーザ、例えば、車両の運転手および乗員に低迷光画像を提供し得る。
【0255】
さらに、バックライトコントローラ１３０およびディスプレイコントローラ２３０は、デュアルビューディスプレイを提供するように協働し得る。動作の第１の段階では、ＬＥＤ３Ａが照明され、第１の画像がＬＣＤ２００に表示される。動作の第２の段階では、ＬＥＤ３Ｂが照明され、第２の画像がＬＣＤ２００に表示される。第１および第２の画像は、異なってもよい。有利には、デュアルビューディスプレイが提供され得る。
【0256】
【0257】
さらに詳細には考察されていない図１５Ａ～Ｇの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0258】
図１６Ａは、複数のＬＥＤのアドレス指定システムを例示する概略図である。複数のマイクロＬＥＤ３のうちのマイクロＬＥＤ３の各々の図１の電極７、８は、１つの列アドレス指定電極７００および１つの行アドレス指定電極７０２にそれぞれ接続されて、行列を形成する。この実施形態では、電流源７１６のアレイが、アドレス指定電極７００を駆動するために使用される。行電極７０２の各々の電圧は、マイクロＬＥＤ３のアレイを走査またはアドレス指定するために順次パルス化される。電流源７１６は、各列電極７００に提供されてもよく、または列電極７００のセット間で時間多重化（共有）されてもよい。マイクロＬＥＤ３は、比較的鋭い電圧対電流曲線を有し、それらの間のクロストークなしで非常に短いパルスによって動作し得る。マイクロＬＥＤ３のアレイは、各画素にＴＦＴまたは集積回路などの追加のアクティブ構成要素を必要とせずに、アドレス指定可能なバックライトまたはディスプレイを形成する。しかしながら、マイクロＬＥＤを照明するための全てのエネルギーは、アドレス指定パルス中に提供されなければならない。有利には、アドレス指定行列は、単純かつ低コストである。
【0259】
光出力レベルを維持しながらピークＬＥＤ電流を低減することが望ましい。
【0260】
図１６Ｂは、複数のＬＥＤの別のアドレス指定実施形態を例示する概略図である。複数のマイクロＬＥＤ３のうちのマイクロＬＥＤ３は、列アドレス指定電極７００および行アドレス指定電極７０２によってアドレス指定されて、１次元または２次元の行列を形成する。明瞭化のために、１つのマイクロＬＥＤ３、ならびに行列のうちの１つの列電極７００および１つの行電極７０２のみが示されている。図１６Ｂは、各マイクロＬＥＤ３が、ストレージ、メモリまたはラッチ機能を含む集積回路７０８と関連付けられているという点で、図１６Ａとは異なる。集積回路７０８は、アナログまたはデジタル回路であり得、マイクロＬＥＤ３位置特定方法と同様の方法を使用して位置する別個のチップとして具体化され得るか、またはＴＦＴで具体化され得る。集積回路７０８には、１つ以上の追加の供給電位Ｖ１、Ｖ２（Ｖ１のみが示されている）を与えられ得る。図１３Ｂに示される駆動回路７２０は、集積回路７０８を備える。行電極７０２がパルス化されると、集積回路７０８のクロック入力７１０は、データ入力７１２に接続された列電極７００の電圧を記憶する。集積回路７０８の出力７１４は、マイクロＬＥＤ３を駆動する。マイクロＬＥＤの他端は、電位Ｖ３を供給するように接続されている。集積回路７０８は、電圧電流変換器を含み得る。電位Ｖ３ならびにマイクロＬＥＤ３のアノードおよびカソード接続は、マイクロＬＥＤが順方向バイアスされて発光するように構成され得る。集積回路７０８は、行電極７０２上のアドレス指定パルスの持続時間よりも長い間、マイクロＬＥＤ３への駆動を提供し、マイクロＬＥＤ３へのピーク電流駆動が低減される。有利には、各マイクロＬＥＤ３のピーク電流が低減される。
【0261】
図１６Ｃは、複数のＬＥＤの別のアドレス指定実施形態を例示する概略図である。複数のマイクロＬＥＤ３のうちのマイクロＬＥＤ３は、列アドレス指定電極７００および行アドレス指定電極７０２によってアドレス指定されて、１次元または２次元の行列またはアレイを形成する。図１３Ｂに例示される駆動回路７２０は、ＴＦＴ７０６、増幅器７０４およびコンデンサ７１８を備える。この実施形態では、行電極７０２は、ＴＦＴ７０６のゲートに接続され、行アドレス指定電極７０２がパルス化されると、列アドレス電極７００からのデータがコンデンサ７１８上に記憶される。コンデンサ７１８は、ＬＣＤパネルを駆動するために行列内で典型的に使用されるコンデンサと比較して小さくてもよく、増幅器７０４の入力静電容量によって提供され得る。増幅器７０４は、１つ以上のマイクロＬＥＤ３を駆動し得る。増幅器７０４は、１つ以上の供給電圧（図示せず）を与えられ得る。増幅器７０４は、電圧電流変換回路を含み得る。増幅器７０４は、１つ以上のマイクロＬＥＤ３の１つ以上の列を駆動し得る。この例示的な実施形態では、３つのマイクロＬＥＤ３の２つの列が例示されている。マイクロＬＥＤ３の列の他端は、電位Ｖ２に接続され、増幅器７０４からの電圧出力は、マイクロＬＥＤ３が照明するためには、マイクロＬＥＤ３の列の組み合わせられた順方向電圧降下（Ｖｆ）だけ電圧Ｖ２よりも大きくなければならない。
【0262】
個々のマイクロＬＥＤ３の故障に対するディスプレイまたはバックライトのある程度の回復力を提供することが望ましい。故障は、例えば、製造中のマイクロＬＥＤ３の誤配置によって引き起こされ得る断線であり得るか、または、例えば、損傷した電極配線による短絡であり得る。
【0263】
図１６Ｄは、複数のＬＥＤの別のアドレス指定実施形態を例示する概略図である。複数のマイクロＬＥＤ３のうちのマイクロＬＥＤ３は、１次元または２次元の行列内の列アドレス指定電極７００および行アドレス指定電極７０２によってアドレス指定される。この実施形態では、マイクロＬＥＤ３は、ブリッジされた列内に配置されている。この構成は、断線または短絡している個々のマイクロＬＥＤ３に対するある程度の耐性を提供する。有利には、ディスプレイまたはバックライトは、フォールトトレラントであり、より信頼性が高いものであり得る。
【0264】
さらに詳細には考察されていない図１６Ａ～Ｄの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0265】
均一な出力の空間的および指向性光度指向性分布を達成するために、反射屈折光学素子３８の光軸に対するマイクロＬＥＤ３の精密かつ均一な位置合わせを伴う大型ディスプレイを提供することが望ましい。ここで、照明装置を形成する方法がさらに説明される。
【0266】
成形された工具が、図１７Ａに示されるように提供され得、図１７Ａは、複数の屈折光入力構造６６を形成するために少なくとも第１の方向に間隔ｓ２を有する特徴６６６を含む工具６００を側面斜視図で例示する概略図である。
【0267】
第１のステップでは、入力基板６０２が図１７Ｂに示されるように提供され、図１７Ｂは、複数の屈折光入力構造を備える入力基板を側面斜視図で例示する概略図である。第２のステップでは、工具６００は、ＵＶキャストアクリレート材料などの、透明材料の硬化性層６０４内の透明基板６０２の側面上に屈折光入力構造６６を提供するように配置され得る。構造６６は、射出成形または熱エンボス加工などの他の既知の複製方法によって提供され得る。少なくとも第１の方向の特徴の間隔ｓ３は、間隔ｓ２と同じであり得るか、または複製中の工具および基板６０２の材料の熱膨張の差異を考慮するように較正された調節を有し得る。
【0268】
成形された工具６０６は、図１７Ｃに示されるように提供され得、図１７Ｃは、少なくとも第１の方向の間隔ｓ４によって複数の反射光入力構造６８、７０、７１、７２、７４を形成するための工具６０６を側面斜視図で例示する概略図である。
【0269】
第２のステップでは、反射表面６４が図１７Ｄに示されるように提供され、図１７Ｄは、複数の屈折光入力構造６６と、複数の反射構造６８、７０、７１、７２、７４を備える反射表面６４とを備える入力基板を側面斜視図で例示する概略図である。反射表面は、層６０８上へのＵＶキャスティングによって提供され得る。代替的に、第１および第２のステップは、工具６００、６０６が複製プロセスの前に位置合わせされる、単一プロセスで組み合わせられ得る。複数の反射構造は、各々、少なくとも第１の方向に間隔ｓ５を有するアレイとして配置され、入力屈折構造６６に位置合わせされている。間隔ｓ５は、間隔ｓ３と同じになるように配置されている。
【0270】
【0271】
さらに詳細には考察されていない図１７Ａ～Ｅの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0272】
第４のステップでは、屈折光出力構造５６が図１８Ａに示されるように基板６１０上に提供され、図１８Ａは、複数の屈折光出力構造５６と、例えば、ＵＶキャスティングによって基板６１０上の層６１２内に形成された拡散構造３５２とを備えるＬＥＤ支持基板５０の一部を側面斜視図で例示する概略図である。代替的に、構造５６、３５２は、成形によって形成されてもよく、基板６１０と同じ材料で形成される。間隔ｓ６は、間隔ｓ５と同じになるように配置されている。
【0273】
第５のステップでは、アドレス指定電極アレイが図１８Ｂに示されるように提供され得、図１８Ｂは、複数のアドレス指定電極８をさらに備えるＬＥＤ支持基板５０を側面斜視図で例示する概略図である。電極８は、リソグラフィ、マスク蒸着、印刷または他の既知の方法によって、間隔ｓ５と実質的に同じである、少なくとも第１の方向の間隔ｓ７を伴って形成され得る。
【0274】
第６のステップでは、不透明マスク領域７が図１８Ｃに示されるように提供され得、図１８Ｃは、複数の不透明マスク領域７をさらに備えるＬＥＤ支持基板を側面斜視図で例示する概略図である。マスク領域７は、電極であってもよく、または電極８と基板６１０との間に形成される誘電体材料であってもよく、少なくとも第１の方向に間隔ｓ５と同じ間隔ｓ７を有し得る。
【0275】
さらに詳細には考察されていない図１８Ａ～Ｃの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0276】
第７のステップでは、モノリシック半導体ウエハ２が図１９Ａに示されるように提供され、図１９Ａは、モノリシックＬＥＤウエハ２を側面斜視図で例示する概略図である。例えば、モノリシックウエハ２は、複数のドープされた窒化ガリウム層を備え得、例えば、サファイア、炭化ケイ素またはシリコンであり得る基板４上に形成され得る。
【0277】
第８のステップでは、マイクロＬＥＤ３ａ、３ｂの非モノリシックアレイが、図１９Ｂに示されるようにモノリシックウエハ２から抽出され得、図１９Ｂは、少なくとも第１の方向に間隔ｓ１を有するマイクロＬＥＤ３ａ、３ｂを提供するためのモノリシックＬＥＤウエハ２からのマイクロＬＥＤのスパースアレイの抽出を側面斜視図で例示する概略図である。
【0278】
第９のステップでは、マイクロＬＥＤ３ａ、３ｂの非モノリシックアレイが、図１９Ｃに示されるように透明ＬＥＤ支持基板上に移送され得、図１９Ｃは、図１９ＡのモノリシックＬＥＤウエハ２から図１８ＣのＬＥＤ支持基板上へのマイクロＬＥＤ３ａ、３ｂのスパースアレイの配置を側面斜視図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図１９Ａ～Ｃの配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0279】
マイクロＬＥＤ３ａ、３ｂは、電極８および屈折光出力構造６６と位置合わせされて基板５２上に配置され得る。ＬＥＤ支持基板５０は、図１６Ａ～Ｄを参照して説明されるように、例えば、ＴＦＴ７０６および／または集積回路７０８を備える駆動回路７２０を既に備え得る。
【0280】
したがって、複数のＬＥＤのうちのＬＥＤが、それらの元のモノリシックウエハの位置および互いに対する配向が保存されたアレイ内に配置されたモノリシックウエハからのものであり、少なくとも１つの方向において、少なくとも１つの方向の複数のＬＥＤの少なくとも１つの対について、各それぞれの対について、少なくとも１つの方向では、ＬＥＤの対の間でモノリシックウエハ４内に位置決めされたが、ＬＥＤ３のアレイ内では、それらの対の間で位置決めされていない、モノリシックウエハ４内の少なくとも１つのそれぞれのＬＥＤが存在していた。
【0281】
第１０のステップでは、アドレス指定電極、波長変換層および光学結合層を含むさらなる層（図示せず）が、マイクロＬＥＤ３および透過ＬＥＤ支持基板５０の第１の表面上に提供され得る。さらなる電極は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるＷＯ２０１２／０５２７２２に説明されているように、反射屈折入力基板６０上に代替的または追加的に提供され得る。
【0282】
第１１のステップでは、照明装置が図２０に示されるように提供され得、図２０は、入力基板６０および透過ＬＥＤ支持基板５０を備えるバックライト１００のアセンブリを側面斜視図で例示する概略図である。さらに詳細には考察されていない図２０の配置の特徴は、特徴の任意の潜在的な変形を含めて、上記で考察された同等の参照番号を有する特徴に対応することが想定され得る。
【0283】
基板５０は、間隔ｓ５が間隔ｓ１と同じであり得るように、照明装置を提供するために、間隔ｓ５を有する複数の反射屈折光学素子３８と位置合わせされ得る。光学的に透明な接着剤などの光学結合が、２つの基板５０、６０の間の取り付けを提供して、位置合わせの向上した堅牢性を有利に提供するために使用され得る。有利には、多数の素子は、光学素子のそれぞれのアレイに対する位置合わせを維持しながら、少数の抽出ステップを使用して、広い面積にわたって形成され得る。反射屈折光学素子に対するマイクロＬＥＤ３の位置合わせは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるＷＯ２０１０／０３８０２５にさらに説明されている。
【0284】
さらに、本開示に関して、マイクロＬＥＤは、パッケージ化されていないＬＥＤダイチップであり、パッケージ化されたＬＥＤではない。有利には、ＬＥＤに対する個々のワイヤボンディングは、使用されず、ピックアンドプレースプロセスの数が著しく低減される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】
【図11F】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図12E】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【図15E】
【図15F】
【図15G】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【図17E】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図19A】
【図19B】
【図19C】
【図20】