(57)【要約】  ディスプレイ（８００）は固体光デバイス（８１０）と、固体光デバイスと光通信している空間光変調器（８３０）とを含む。固体光デバイスは放射線を生成する固体放射線源のアレイ（８１２）を含み、各固体放射線源は制御可能放射線出力を含む。固体光デバイスは光集中器のアレイ（８１４）をさらに含み、各光集中器は固体放射線源のアレイの対応する１つからの放射線を受け取る。固体光デバイスは複数の光ファイバ（８１６）をさらに含み、複数の光ファイバの各々は対応する光集中器から集中放射線を受け取る入力端（８１８）を含む。空間光変調器は固体光デバイスからの光を変調するように動作可能な複数の制御可能要素を含む。
2007515684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が制御可能放射線出力を備える、放射線を生成する固体放射線源のアレイと、
各々が前記固体放射線源のアレイの対応する１つからの放射線を受け取る光集中器のアレイと、
各々が入力端と出力端とを含み、各入力端が対応する集中器からの集中放射線を受け取る複数の光ファイバとを備える、
光デバイスと、
前記光デバイスと光通信し、前記光デバイスからの光を変調するように動作可能な複数の制御可能要素を備える空間光変調器とを備えるディスプレイ。
【請求項２】
前記空間光変調器の前記制御可能要素の数が前記光デバイスの固体放射線源の数より多い、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３】
前記光デバイスの前記固体放射線源のアレイの各固体放射線源が、前記空間光変調器の複数の対応する制御可能要素を照明するように構成されている、請求項２に記載のディスプレイ。
【請求項４】
前記光デバイスと前記空間光変調器との間に位置する拡散器をさらに備え、前記拡散器が前記光デバイスおよび前記空間光変調器と光通信している、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項５】
前記空間光変調器と視認位置との間に位置する拡散器をさらに備え、前記拡散器が前記空間光変調器と光通信している、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項６】
前記光デバイスと前記空間光変調器との間に１つまたは複数の追加光変調段をさらに備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項７】
前記光デバイスを前記空間光変調器上に結像するように構成された結像光学系をさらに備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項８】
光を視認者に反射するように構成されたディスプレイスクリーンを備える前面投射型ディスプレイをさらに備える、請求項７に記載のディスプレイ。
【請求項９】
前記空間光変調器が前記ディスプレイスクリーンと一体化されている、請求項８に記載のディスプレイ。
【請求項１０】
対応する固体放射線源が最大光出力であるとともに前記空間光変調器の対応する制御可能要素が最大照明を提供するように設定されている第１の点と、前記対応する固体放射線源が最小光出力であるとともに前記空間光変調器の前記対応する制御可能要素が最小照明を提供するように設定されている第２の点との輝度比が少なくとも１０００：１である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１１】
対応する固体放射線源が最大光出力であるとともに前記空間光変調器の対応する制御可能要素が最大照明を提供するように設定されている第１の点と、前記対応する固体放射線デバイスが最小光出力であるとともに前記空間光変調器の前記対応する制御可能要素が最小照明を提供するように設定されている第２の点との輝度比が少なくとも１５００：１である、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項１２】
前記固体放射線源のアレイが複数のＬＥＤダイを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１３】
前記複数のＬＥＤダイの少なくとも一部が紫外線発光ＬＥＤダイを備える、請求項１２に記載のディスプレイ。
【請求項１４】
前記複数のＬＥＤダイの少なくとも一部が白色発光ＬＥＤダイを備える、請求項１２に記載のディスプレイ。
【請求項１５】
前記ＬＥＤダイによって発光される光の色が制御可能である、請求項１２に記載のディスプレイ。
【請求項１６】
前記空間光変調器の前記複数の制御可能要素が可変透過率表示素子を備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１７】
前記可変透過率表示素子が液晶表示素子を備える、請求項１６に記載のディスプレイ。
【請求項１８】
前記空間光変調器が色空間光変調器を備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１９】
前記空間光変調器の前記複数の制御可能要素の各制御可能要素が複数のカラーサブピクセルを備える、請求項１８に記載のディスプレイ。
【請求項２０】
前記光デバイスおよび前記空間光変調器と電気通信しているコントローラをさらに備え、前記コントローラが画像データを前記光デバイスおよび前記空間光変調器の両方に送出するように動作可能である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２１】
前記コントローラが前記複数の制御可能要素を定期的にリフレッシュするとともに、制御可能要素がリフレッシュされている間前記対応する固体放射線源を暗くするまたはオフするように構成されている、請求項２０に記載のディスプレイ。
【請求項２２】
前記固体放射線源のアレイが規則的配列で配置されている、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２３】
前記複数の光ファイバの各々が、コアとクラッドとを備えるポリマークラッドシリカファイバを備え、前記ポリマークラッドシリカファイバが約２５０μｍ〜約１０００μｍのコア径をさらに備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２４】
前記複数の光ファイバの前記出力端が非平坦面を形成する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２５】
光放射を生成するＬＥＤダイのアレイと、
各々が前記ＬＥＤダイのアレイの対応する１つからの照明を受け取る光集中器のアレイと、
各々が入力端と出力端とを含み、各入力端が対応する光集中器からの集中照明を受け取る複数の光ファイバとを備える、
光デバイスと、
前記光デバイスと電気通信し、前記ＬＥＤダイのアレイの１つまたは複数のＬＥＤダイを選択的に作動するように動作可能なコントローラと、
前記光デバイスと光通信し、前記光デバイスからの光を変調するように動作可能な複数の制御可能要素を備える空間光変調器とを備えるディスプレイ。
【請求項２６】
前記コントローラが前記ＬＥＤダイのアレイのＬＥＤダイの複数のチャネルに調整駆動電流および電圧を提供する、請求項２５に記載のディスプレイ。
【請求項２７】
ＬＥＤダイの第１のチャネルが赤色発光ＬＥＤダイを備え、ＬＥＤダイの第２のチャネルが青色発光ＬＥＤダイを備え、さらにＬＥＤダイの第３のチャネルが緑色発光ＬＥＤダイを備える、請求項２６に記載のディスプレイ。
【請求項２８】
前記コントローラが遠隔信号に応答して第１のＬＥＤダイチャネルを選択的に作動させる、請求項２６に記載のディスプレイ。
【請求項２９】
前記コントローラが増加駆動電流を第１のＬＥＤダイチャネルに送り、第２のＬＥＤダイチャネルからの低下発光出力を補償する、請求項２６に記載のディスプレイ。
【請求項３０】
前記光ファイバのアレイの前記出力端が非平坦面を形成する、請求項２５に記載のディスプレイ。
【請求項３１】
各々が制御可能放射線出力を備える、放射線を生成する固体放射線源のアレイと、
各々が前記固体放射線源のアレイの対応する１つからの放射線を受け取る光集中器のアレイと、
各々が入力端と出力端とを含み、各入力端が対応する集中器からの集中放射線を受け取る複数の光ファイバとを備える、
光デバイスを提供するステップと、
前記固体放射線源のアレイを第１の画像データセットにより決定される出力を有するように制御するステップと、
制御可能要素のアレイを備える空間光変調器の面を、前記固体放射線源のアレイからの光で照明するステップと、
前記空間光変調器の前記制御可能要素のアレイの透過率を第２の画像データセットで制御するステップとを含む、ダイナミックレンジを有する画像を表示する方法。
【請求項３２】
前記第２の画像データセットが前記第１の画像データセットより解像度が高い、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記固体放射線源のアレイの少なくとも一部の各固体放射線源の前記制御可能放射線出力を検出するステップと、
前記検出された制御可能放射線出力を所望の放射線出力と比較するステップと、
前記制御可能放射線出力を前記所望の放射線出力に調整するステップとをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般にディスプレイに関する。特に本開示は固体光デバイスと１つまたは複数の空間光変調器とを含むディスプレイおよびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の投射ディスプレイは、反射面と集束レンズとを有する電動アークランプを用いて高輝度光線を生成する。この光線は空間光変調器と一連の結像光学素子とを用いて結像される。一般的な空間光変調器は液晶ベースのシステムと電気的に制御可能なマイクロミラーアレイとを含む。
【０００３】
いくつかの現在の代替的手法は概して光源として一連の高出力ＬＥＤを用いている。このような光源により発光された光は集束光学系を用いて大型コアプラスチック光ファイバなどの単一の光導波路内に向けられ、光導波路は光を光源から遠く離れた場所へ透過する。さらに他の手法では単一のファイバを個別光ファイバの束に替えてもよい。
【０００４】
投射ディスプレイは目で知覚可能なものよりかなり低いダイナミック照明レンジを有することが多い。照明範囲は通常ディスプレイのコントラスト比によって記述されるが、ここでコントラスト比は最も暗い状態の出力に対する最も明るい状態の出力である。
【０００５】
投射ディスプレイのコントラスト比を高めるための一手法は２つの空間光変調器を直列に置くことである。これらの変調器の一方は他方と同等以下の解像度を有し得る。直列の２つの変調器のコントラスト比は個々の変調器の積とほぼ同等である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示はディスプレイとかかるディスプレイを使用する方法とを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において本開示は光デバイスを含むディスプレイを提供する。光デバイスは各々が制御可能放射線出力を含む、放射線を生成する固体放射線源のアレイを含む。光デバイスは各々が固体放射線源のアレイの対応する１つからの放射線を受け取る光集中器のアレイと、各々が入力端と出力端とを含み、各入力端が対応する集中器からの集中放射線を受け取る複数の光ファイバとをさらに含む。ディスプレイは、光デバイスと光通信し光デバイスからの光を変調するように動作可能な複数の制御可能要素を含む空間光変調器をさらに含む。
【０００８】
他の態様において本開示は光デバイスを含むディスプレイを提供する。光デバイスは光放射を生成するＬＥＤダイのアレイを含む。また光デバイスは各々がＬＥＤダイのアレイの対応する１つからの照明を受け取る光集中器のアレイと、各々が入力端と出力端とを含み、各入力端が対応する光集中器からの集中照明を受け取る複数の光ファイバとを含む。ディスプレイは、光デバイスと電気通信しＬＥＤダイのアレイの１つまたは複数のＬＥＤダイを選択的に作動するように動作可能なコントローラをさらに含む。ディスプレイは、光デバイスと光通信し光デバイスからの光を変調するように動作可能な複数の制御可能要素を含む空間光変調器をさらに含む。
【０００９】
他の態様において本開示は、光デバイスを提供するステップを含むダイナミックレンジを有する画像を表示する方法を含む。光デバイスは各々が制御可能放射線出力を含む、放射線を生成する固体放射線源のアレイを含む。また光デバイスは各々が固体放射線源のアレイの対応する１つからの放射線を受け取る光集中器のアレイと、各々が入力端と出力端とを含む複数の光ファイバとを含む。各入力端は対応する集中器からの集中放射線を受け取る。この方法は固体放射線源のアレイを第１の画像データセットにより決定される出力を有するように制御するステップと、制御可能要素のアレイを含む空間光変調器の面を、固体放射線源のアレイからの光で照明するステップと、空間光変調器の制御可能要素のアレイの透過率を第２の画像データセットで制御するステップとをさらに含む。
【００１０】
本開示の上記の概要は本開示の各開示実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。図および以下の詳細な説明が例示的実施形態をより具体的に例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１Ａは固体（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ）光デバイス１００（本明細書では光デバイスまたは光子放射デバイスとも称する）の一実施形態を図示する。光デバイス１００が図１Ｂに分解図で示されている。本明細書で用いるように用語「光」は電磁スペクトルの紫外、可視および／または赤外部分の波長を有する電磁放射を指す。本明細書で説明する構成では光デバイス１００は従来の高輝度放電（ＨＩＤ）電球に比べて全体に小型であるため、道路照明、部分照明、背面照明、画像投射および放射線活性硬化を始めとする様々な用途で放電ランプデバイスの代替品を提供する。
【００１２】
光デバイス１００は放射線を生じる固体放射線源のアレイ１０４を含む。放射線は対応する光集中器のアレイ１２０によって集光および集中される。その後集中放射線は、任意選択の支持構造１５０により支持された対応する導波路のアレイ１３０に送出される。ここでこれらの特徴の各々を詳細に説明する。
【００１３】
固体放射線源のアレイ１０４は任意の適当な固体放射線源を含み得る。いくつかの実施形態では固体放射線源のアレイ１０４はある配列パターンに配置された個別ＬＥＤダイまたはチップ１０６を含む。個別ＬＥＤダイ１０６は（共通半導体基板によってすべてのＬＥＤが互いに接続されたＬＥＤアレイとは異なり）個々に搭載されるとともに、動作制御のための独立した電気接続を有する。ＬＥＤダイ１０６は対称的な放射パターンを生成することができるとともに電気エネルギーを光に変換するのに効率的である。多数のＬＥＤダイ１０６は温度感受性が過度に高くないため、ＬＥＤダイ１０６は多くの種類のレーザダイオードと比べて適度なヒートシンクだけで適正に動作し得る。例示的実施形態では各ＬＥＤダイ１０６は最も近接したものから、少なくともＬＥＤダイの幅より大きい距離だけ離間している。さらなる例示的実施形態では各ＬＥＤダイ１０６は最も近接したものから、少なくとも６個のＬＥＤダイの幅より大きい距離だけ離間している。これらの例示的実施形態は本明細書にさらに詳細に説明するように適当な熱管理を提供する。
【００１４】
さらに、ＬＥＤダイ１０６を−４０℃〜１２５℃の温度で動作させることができるとともに、約１０，０００時間という大多数のレーザダイオードの寿命または５００〜１０００時間というハロゲン自動車ヘッドランプの寿命に比べて、１００，０００時間の範囲の動作寿命を有することができる。例示的実施形態においてＬＥＤダイ１０６は各々約５０ルーメン以上の出力強度を有することができる。個別の高出力ＬＥＤダイは、クリー（Ｃｒｅｅ）(クリーズ（Ｃｒｅｅ’ｓ）ＩｎＧａＮベースエックスブライト（ＸＢｒｉｇｈｔ）（登録商標）製品など)またはオスラム(Ｏｓｒａｍ)などの会社から市販されているＧａＮベースＬＥＤダイであってもよい。一例示的実施形態では各々約３００μｍ×３００μｍの発光領域を有するＬＥＤダイ（クリー（Ｃｒｅｅ）社製）のアレイを用いて集中（狭域、高出力）光源を提供することができる。矩形または他の多角形状などの他の発光面形状も利用可能である。さらに、代替実施形態では、用いられるＬＥＤダイの発光層を上面または下面に配置することができる。
【００１５】
いくつかの実施形態において複数の裸の青色または紫外（ＵＶ）ＬＥＤダイを用いることが可能であり、その場合１つまたは複数のＬＥＤダイに好適には発光面上にＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体などの蛍光層（図示せず）を塗布することができる。蛍光層を用いてＬＥＤダイの出力を「白色」光に変換することができる。蛍光層配置および構成は、２００３年１２月２日に出願された複数の光源を用いる照明システム（ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＰＬＵＲＡＬＩＴＹ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴ  ＳＯＵＲＣＥＳ）と題された本出願人による米国特許出願、現在米国出願公開第２００４／０１４９９９８−Ａ１号明細書に詳細に記載されている。
【００１６】
代替実施形態では一群の赤色、青色、および緑色ＬＥＤダイ１０６を選択的にある配列に配置することができる。その結果得られる発光が導波路のアレイ１３０によって集光されて、導波路１３０の出力端１３３から放射された光が観察者によって着色光または一斉に混合された場合「白色」光として見られるようになる。
【００１７】
代替実施形態では固体放射線源のアレイ１０４は、従来「白色」光を始めとする視認可能領域の出力を提供することができる垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＳＣＥＬ）アレイを含み得る。
【００１８】
図１Ｂに示すように、固体放射線源のアレイ１０４からの発光は光集中器のアレイ１２０により受け取られる。例示的実施形態では各光集中器は固体放射線源のアレイ１０４の対応する１つからの放射線を受け取る。例示的実施形態において光集中器のアレイ１２０は非結像光集中器（反射型光結合器とも称する）を含む。光集中器のアレイ１２０の反射面の形状は、放射線源１０４の各々によって放射された放射線の大部分を捕らえて出力密度を維持するように設計されている。さらに、集中出力を受光導波路１３０の容認角度基準に実質的に一致するように設計して、放射線の大部分が導波路１３０によって利用可能に捕らえられるとともに導波されるようにすることができる。一例示的実施形態において、非結像光集中器のアレイ１２０の各非結像集中器は二次元（２−Ｄ）表面に適合する内部反射面を有し、内部反射面の少なくとも第２の部分が三次元（３−Ｄ）表面に適合する。このおよび他の反射面設計は、２００３年１２月２日に出願された、本出願人による係属中の米国特許出願第１０／７２６，２４４号明細書に詳細に記載されている。
【００１９】
アレイ１２０内の各光集中器を例えば射出成形、移送成形、マイクロ複製、打ち抜き加工、穿孔または他の熱形成によって形成することができる。（単一にまたは光集中器のアレイの一部として）光集中器のアレイ１２０を形成することができる基板または裏張用材は多様な材料、例えば金属、プラスチック、熱可塑性材料または多層光学フィルム（ＭＯＦ）（ミネソタ州セントポールのスリーエムカンパニー（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｓｔ．Ｐａｕｌ，  ＭＮ）から入手可能なエンハンスト・スペキュラー・リフレクタ（ＥＳＲ：Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｓｐｅｃｕｌａｒ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）などの）を含み得る。光集中器１２０を形成するために用いられる基板材料に、銀、アルミニウムまたは無機薄膜の反射多層スタックなどの反射コーティングを塗布することが可能であり、または単に研磨して反射率を向上させることができる。
【００２０】
さらに、光集中器のアレイ１２０をＬＥＤダイ１０６の下方、周囲、または上方に配向できるように、光集中器基板を配置することができる。例示的実施形態において光集中器基板を固体放射線源のアレイ１０４上にまたは近接して配置してアレイ１２０の各集中器を各ＬＥＤダイ１０６上で摺動するように形成できるため、光集中器の下部開口１２３（図４参照）はＬＥＤダイ１０６の外周の周囲に密着する。代替の集中器の設計はＬＥＤダイ１０６が支持される基板上での反射コーティングをさらに加利用することを含む。
【００２１】
図１Ｂの図示の実施形態の態様は各放射線源と、対応する光集中器と、対応する導波路との間の１対１対応である。各光集中器表面は蛍光体塗布ＬＥＤダイを始めとする対応するＬＥＤダイからの同方性発光を、対応する受光導波路の容認角度基準に一致する光線に変換するように設計されている。上記したようにこの集中器表面設計はＬＥＤダイから発光された光の出力密度を維持するのを助ける。図１Ｂに戻って参照すると、集中出力放射線は図１Ｂに示すように光ファイバのアレイとして、各々入力端１３２と出力端１３３とを有する複数の光導波路１３０によって受光される。本例示的実施形態は大型コア（例えば４００μｍ〜１０００μｍ）ポリマークラッドシリカファイバ（ミネソタ州セントポールのスリーエムカンパニー（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能な商品名ＴＥＣＤ（登録商標）で市場に出回っているものなどの）のアレイ１３０を含む。さらなる例示的実施形態において光ファイバ１３０の各々は、約６００μｍ〜６５０μｍのコア径を有するポリマークラッドシリカファイバを含み得る。例示的実施形態においてファイバの縦方向の長さは約１〜５インチ（２．５ｃｍ〜１２．５ｃｍ）長であり得る。例示的ファイバは非常に可撓性であるため、この短い距離でもファイバを出力端で密接なパターン化束状に配置することが可能になる。さらに、この短い長さは従来のＨＩＤランプのサイズに匹敵するサイズを有する非常に小型のデバイスを提供する。もちろん他の用途において動作に有害な影響を生じることなくファイバ長を増加させることができる。
【００２２】
例えばＬＥＤダイ源の出力波長のようなパラメータに応じて、本開示の実施形態により従来のまたは特定のグラスファイバなどの他のタイプの光ファイバを用いてもよい。例えばプラスチックファイバは、藍色または紫外光源を含む照射で感光および／または漂白されやすい場合がある。
【００２３】
代替的には本明細書の対象当業者に明らかであるように、平面導波路、ポリマ導波路、可撓性ポリマ導波路等などの他の導波路のタイプを本教示により用いてもよい。
【００２４】
ＬＥＤダイ１０６により発光された光が集中器によって受光ファイバ内へと集光されて再配向されると、ファイバを用いて光を全内部反射により低光損失で特定の場所に搬送することができる。しかし受光ファイバは光を搬送する役目をするだけでなく、ファイバをＬＥＤダイアレイのより広い空間から出力開口でのより狭い空間、例えば密充填ファイバ束に変えることにより、（比較的）分散されたＬＥＤアレイからの光を非常に小さい区域内に効果的に集中させることができる。また例示的受光ファイバコアおよびクラッドの光学設計は、出力端はもとより入力端におけるファイバの開口数（ＮＡ）により、束端から出射する光線の成形を行う。本明細書に記載するように受光ファイバは光搬送のみならず光集中および光線成形を行う。
【００２５】
光ファイバ１３０は光ファイバの１つまたは複数の出力端１３３上にファイバレンズをさらに含み得る。同様に光ファイバ１３０の入力端１３２は各々がさらにファイバレンズを含み得る。ファイバレンズ製造および実施は、本出願人による同時係属中の米国特許出願第１０／６７０，６３０号明細書および米国出願公開第２００４／０１１２８７７−Ａ１号明細書に詳細に記載されている。
【００２６】
ファイバアレイコネクタ１３４を用いてアレイ１３０の各光ファイバの入力端１３２を支持することができる。例示的実施形態においてファイバアレイコネクタ１３４は成形プラスチック材料などの剛性材料を含み、光集中器のアレイ１２０のパターンに相当するパターンを有する開口を備える。各開口はアレイ１３０の光ファイバの入力端１３２を受容して簡単な接着を提供することができる。
【００２７】
例示的実施形態において、剛性または可撓性の相互接続回路層を用いてＬＥＤダイ１０６の熱管理およびの電気接続を提供することができる。図１Ｂに示すように、相互接続回路層はミネソタ州セントポールのスリーエムカンパニー（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｓａｉｎｔ  Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能なスリーエム（３Ｍ）（登録商標）フレキシブル（またはフレックス）回路（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ（ｏｒ  Ｆｌｅｘ）Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）などの多層構造を含むことができる。例えば多層相互接続層は例えば銅または他の熱伝導材料で作製された金属載置基板１１２と、電気的絶縁誘電層１１４と、パターン化導電層１１３とを含み得るが、ここでＬＥＤダイ１０６は導電層１１３のパッド（図示せず）を接合するように動作接続されている。電気的絶縁誘電層１１４は、例えばポリイミド、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリスルホンまたはＦＲ４エポキシ複合材を始めとする多様な好適な材料を含み得る。電気的および熱的伝導層１１３は、例えば銅、ニッケル、金、アルミニウム、スズ、鉛、およびそれらの組み合わせを始めとする様々な好適な材料を含み得る。
【００２８】
例示的実施形態においておよび本明細書にさらに詳細に説明するように、１つまたは複数の群のＬＥＤダイ１０６が互いに相互接続されているが他の群のＬＥＤダイ１０６からは分離してピクセル化された放射線出力を提供する。誘電層１１４内に延びるようにバイア（図示せず）を用いることができる。金属載置基板１１２をヒートシンクまたは放熱アセンブリ１４０上に載置することができる。基板１１２を電気的絶縁および熱的伝導材料の層１１６によってヒートシンク１４０から離間することができる。例示的実施形態においてヒートシンク１４０は一連の熱伝導ピンをさらに含むことにより、動作中に固体放射線源のアレイ１０４からさらに放熱することができる。
【００２９】
一例示的実施形態において各裸のＬＥＤダイ１０６は誘電表面１１４の凹部内で金属／回路層１１３上に直接存在し得る。相互接続回路の例示的実施は２００３年１２月２日に出願され、照明アセンブリ（ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＡＳＳＥＭＢＬＹ）と題された現在係属中の本出願人による米国特許出願（米国出願公開第２００４／０１１２８７７−Ａ１号明細書）に記載されている。
【００３０】
他の実施形態においてより剛性のＦＲ４エポキシベースプリント基板構造を電気相互接続に用いることができる。さらに他の実施形態において、導電性エポキシまたは導電性インクを必要に応じて適当な基板上にパターン化してＬＥＤダイアレイを接続することにより低コスト回路を用意することができる。
【００３１】
光デバイス１００は任意選択の支持構造をさらに含む。図１Ｂの例示的実施形態において、支持構造は入力開口１５２と出力開口１５４とを有する筐体１５０として構成されている。筐体１５０は導波路のアレイ１３０に応力緩和を提供するとともに、外部の放射線源からの導波路１３０への損傷を防止することができる。さらに、筐体１５０は本明細書により詳細に説明するような車両用途に好適な剛性の支持体を提供することができる。場合によっては導波路１３０が光ファイバである場合、支持構造は導波路１３０の第２の端部の外周部分と接して配置されるバンディング１５６をさらに含むことができる。バンディング１５６は本明細書にさらに詳細に説明するように導波路１３０の出力端１３３を選択出力パターンで分配するのに役立ち得る。
【００３２】
さらに、ファイバアレイコネクタ１３４は筐体１５０の入力開口１５２を受容する隆起または窪みを含むことができる。筐体１５０をファイバアレイコネクタ１３４に接合あるいは取り付け得る場合、一実施形態では筐体１５０はファイバアレイコネクタ１３４上にスナップ式に嵌合される。
【００３３】
例示的構成技術ではまずファイバをファイバアレイコネクタ内に装填してコネクタに接合する。取付具（図示せず）を用いることにより、ファイバを列に組分けして順序群を有するようにすることができる。取付具は各ファイバを入力端から出力端へ繰り返し位置決めする多数の仕切りを含み得る。さらに、ファイバが互いに交差せずに出力端に対する予想可能な場所を有するように取付具を設計することができる。出力端を固定するために剛性または可撓性バンディング、例えばポリマ材料を用いてファイバの場所を所望の出力パターンに固定する。そして応力緩和／支持筐体をファイバおよびバンディング上で摺動するとともにファイバアレイコネクタに固定することができる。従来の接着剤または接合要素を用いることによりバンディングを筐体の出力開口内に固定することができる。代替的には支持構造はファイバ束にわたって且つ周囲に形成された封入材料を含むことができる。
【００３４】
代替的には支持構造１５０は導波路１３０の一部に塗布可能な結合エポキシなどの接着材料を含むことが可能であり、接着剤が硬化すると導波路が所望のパターンに固定されるようになっている。
【００３５】
１つまたは複数の位置合わせピン１６０によって全体の位置合わせを提供することが可能であり、位置合わせピン１６０を用いて筐体１５０と、ファイバアレイコネクタ１３４と、集中器アレイ１２０と、相互接続回路層１１０とヒートシンク１４０とを一緒に位置合わせすることができる。図２に示す位置合わせ孔１６２などの一連の位置合わせ穴を、デバイス１００の上記した部分の各々内に形成して位置合わせピン１６０を受容することができる。相互接続回路層に対する光集中器アレイ１２０の位置合わせを基準（図示せず）を利用して達成することができる。
【００３６】
図２は固体光デバイス１００のフットプリントを図示する。この例示的構成において６０個のＬＥＤダイ１０６のアレイ１０４を、ヒートシンク１４０上に載置された相互接続回路層１１０上に実質的に矩形配列パターンで提供することができる。もちろん本開示によればＬＥＤダイ１０６のアレイはかなり多いまたは少ないＬＥＤダイ１０６を含むことができる。しかし各ＬＥＤダイ１０６が約３００μｍの幅を有するとともに各ＬＥＤダイ１０６をその最も近接したものからＬＥＤダイ幅より大きい分だけ離間させることができるため、本開示の光デバイス１００は高い全体出力密度、小型フットプリント面積（約１平方インチ〜４平方インチ、すなわち６．５ｃｍ2〜２６ｃｍ2）および適正な熱制御をもたらすことができる。さらに、ファイバ１３０の出力端１３３（図１Ｂを参照）のフットプリントはさらに小型、例えば例示的実施形態では約０．１平方インチ〜１平方インチ（０．６５ｃｍ2〜６．５ｃｍ2）程度であり得る。
【００３７】
固体光デバイス１００の側面図が図３に示されている。この例示的実施形態において相互接続回路層１１０（上にＬＥＤダイが載置されている）はヒートシンク１４０上に配置され、ヒートシンク１４０は筐体１５０の出力開口１５４とは反対方向に延びる放熱ピン１４２をさらに含む。さらに、本明細書に説明するように、筐体１５０は突起１５３を含むことによりファイバアレイコネクタ１３４上へのスナップ式嵌合を可能にすることができる。光集中器のアレイ１２０はファイバアレイコネクタ１３４と相互接続層１１０との間に配置されている。この実施形態においてファイバ１３０はファイバアレイコネクタ１３４とバンディング１５６とによって支持されており、バンディング１５６は筐体１５０の出力開口１５４内に配置されている。
【００３８】
図４により詳細に示すように、固体光デバイスの例示的構成はファイバアレイの個々の光ファイバ１３１と集中器アレイの個々の光集中器１２１との間の位置ずれを低減するファイバ−集中器位置合わせ機構を含む。具体的にはファイバアレイコネクタ１３４は、光集中器アレイ基板の凹部１２５内に係合する突起１３５をさらに含み得る。このためファイバ１３１はファイバアレイコネクタ１３４の開口内に受容される。そしてファイバアレイコネクタ１３４は、突起１３５が凹部１２５によって受容されるように光集中器基板上に配置される。このように光集中器１２１の出力開口１２６はファイバ１３１の入力端と実質的に同一平面にあり得る。さらに、この例示的設計により、ファイバ端が光集中器のアレイに対して位置決めされるように、ファイバ１３０の多数入力端を同時に研磨することができる。さらに、図４の例示的構成において光集中器１２１の受容開口１２３を対応するＬＥＤダイ１０６の発光面に近接してまたは周囲を取り囲むように配置することができる。図示はしないが光集中器基板と相互接続回路層との間に配置されたスペーサはこれらの２つの構成要素間に適正な空間を設定することができる。そして光集中器基板を従来の技術を用いてスペーサに固着または相互接続回路層に接合することができる。
【００３９】
図４は導電性エポキシ１１５を含んでＬＥＤダイ１０６を相互接続層１１０に接合する例示的多層相互接続１１０の断面図をさらに示す。第１および第２の導電層１１３、１１１（例えばニッケルおよび金もしくは他の材料を含み得る）はアレイ内の各ＬＥＤダイ１０６に電気トレースを提供し、誘電層１１４（例えばポリイミド）が電気的絶縁を提供するように配置されている。基板１１２（例えば銅）を設けて導電および絶縁層を支持するとともに、ヒートシンク１４０への熱伝導を提供して熱を放射方向から離れるように伝導する。
【００４０】
本明細書に説明した原理によれば、固体光デバイスは１つまたは複数の方向に同時に高指向性および／または成形出力放射線を提供することができる。図１Ａおよび１Ｂに示すように、ファイバアレイ１３０の出力端１３３を矩形または方形出力を提供するようにパターン化することができる。図５Ａ〜５Ｆは特定の用途に必要な照明のタイプに応じて用いることができるファイバアレイの代替的な再構成可能出力端パターンを図示する。例えば図５Ａは六角形出力ファイバパターン１３３Ａを示し、図５Ｂは円形出力ファイバパターン１３３Ｂを示し、図５Ｃはリング状出力ファイバパターン１３３Ｃを示し、図５Ｄは三角形出力ファイバパターン１３３Ｄを示し、図５Ｅは線状出力ファイバパターン１３３Ｅを示す。さらに、図５Ｆに示すように代替的な例示的実施形態において分割された出力パターン１３３Ｆを提供することが可能であり、この場合多数の別個のファイバ出力群を特定の対象照明に利用することができる。ファイバの出力端を固定するバンディングを可撓性を有する材料、例えば鉛、スズ、および亜鉛ベース材料および合金から形成することができるため、用途によってはファイバ出力パターンを再構成することができる。
【００４１】
図６Ａ〜６Ｃに示すように固体光デバイスの出力は可動であり得るため、１つまたは複数の異なる方向が同時にまたは交互に照明され得る。図６Ａは例えば３つの異なる群２３３Ａ、２３３Ｂおよび２３３Ｃに配置されたファイバ出力端２３３を示す。例えば車両ヘッドライトとして利用する場合、固体光デバイスは通常の動作で出力端２３３Ａを介して前方に出力照明を提供することができる。車両が一方側に曲がる際に（例えばターンシグナル・インジケータによってまたはハンドルを一定量回転させることにより）出力ファイバ２３３Ｂに対応するＬＥＤダイを作動させることができるため、出力ファイバ２３３Ｂによりその一方側に追加照明を提供することができる。同様に他方側に曲がる場合には出力ファイバ２３３Ｃに対応するＬＥＤダイを作動させることができるため、その他方側方向に追加照明を提供することができる。
【００４２】
代替的には図５Ｅに示すように横方向に延びたファイバの出力配置を利用して可動照明システムを提供することができることにより、以下に説明するピクセル化制御回路（例えば図９Ａおよび９Ｂを参照）は、例えば方向転換中に照明ファイバのブロックを一方側から他方側に作動させることができる。このように用途に応じて出力照明を方向転換の方向に（または離れるように）向けることができる。
【００４３】
このようにして非機械的手法を用いて固体光デバイスからの可動出力照明を提供することができる。代替的には本明細書が対象とする当業者には明らかであるように、より多いまたは少ないファイバ群を利用することができる。さらに、これらの群は同一の固体光デバイスからハイビーム−ロービーム出力発光用など異なる相対配向を有することができる。
【００４４】
図６Ｂには異なるファイバ群を安定化且つ支持するために用いることができる構造が示されている。例えばバンディング２５６が光ファイバの出力端に設けられている。バンディング２５６は第１の開口２５４と、第２の開口２５４Ａと第３の開口２５４Ｂとを提供することが可能であり、この場合開口２５４Ａおよび２５４Ｂに配置されたファイバは開口２５４に配置されたファイバとは異なる方向に光を出力することになる。さらに、図６Ｃに示すように、バンディング２５６を固体光デバイス用支持構造の一部として筐体２５０に接続または一体化することができる。
【００４５】
代替的には図７Ａに示すように、固体光デバイスはファイバ出力端の単一束から可動光を生成することができる。例えばファイバ出力端１３３を図６Ｂの出力開口２５４と同一箇所に提供することができる。この例示的実施形態においてファイバ出力端１２９として認識されるこれらのファイバ出力端の一部を、ファイバ出力端１３３の残りの部分とは異なる角度または大幅に異なる角度で（例えばファイバ軸に対して１０〜５０度）で角度研磨する。その結果得られる発光はファイバ端１３３の出力とは異なる方向に向けられることになる。このため図６Ａ〜６Ｃに対して上述した用途と同様に車両のヘッドライトとして利用する場合、固体光デバイスは前方向（出力端１３３を介して）および横方向（出力ファイバ１２９を介して）の両方に出力照明を提供することができる。
【００４６】
各ファイバの出力端を任意の適当な形状を一括形成するように構成し得る。例えば図７Ｂは固体光デバイス（例えば図１の固体光デバイス１００）用のファイバ出力端パターンの他の実施形態の概略図である。図７Ｂに示すようにファイバ束は出力端１３３が曲線形状を形成するように構成された出力端１３３を含む。任意の適当な曲線形状、例えば楕円、球形等を形成し得る。出力端１３３を任意の適当な技術、例えば研削および研磨を用いて成形してもよい。
【００４７】
図１３に図示する可動照明を提供する代替実施において、ファイバアレイコネクタ７３４から延びるファイバを多数のオフセットファイバ束、中心束７３０Ａおよび側部束７３０Ｂおよび７３０Ｃに束ねることができる。ファイバ束の出力端によって放射された光は非球面レンズなどの多焦点レンズ７５０によって受け取られ、多焦点レンズ７５０はオフセット束からの出力を所望の異なる照明領域７５１Ａ、７５１Ｂおよび７５１Ｃ内にさらに配向する。
【００４８】
本開示の例示的実施形態において、固体光デバイスを車両ヘッドライト用途におけるような照明デバイスとして利用することができる。例えば既存のヘッドライトレセプタクルへの取り付けを、図８に示すフランジ１３９の利用により達成することができる。フランジ１３９を例えばファイバアレイコネクタ１３４の周囲部分上に配置することができる。各フランジをこのようなレセプタクルの係止スロット内に係合するように設計することができる。代替的にはフランジを筐体または光集中器基板などの固体光デバイスの他の構成要素上に形成し得る。
【００４９】
本開示の他の実施形態によれば図９Ａに示すように、開口成形および／または動的な光線移動に用いることができるピクセル化光制御を可能にする照明システム３００が設けられている。システム３００は本明細書に説明した固体光デバイス１００と同様に構成された固体光デバイス３０１を含む。コントローラ３０４は配線３０２と相互接続回路層に接続することができるコネクタ３１０とを介して固体光デバイス３０１と電気通信している。電源３０６はコントローラ３０４と電気通信して固体光デバイス３０１に電力／電流を提供する。
【００５０】
例示的実施形態においてコントローラ３０４は、固体光デバイス３０１に含まれる個々のＬＥＤダイまたはＬＥＤダイの群を選択的に作動するように構成されている。さらに、受光導波路がＬＥＤダイと１対１対応で設けられているため、照明システム３００はピクセル化出力を提供することができる。このタイプのピクセル化制御は異なる着色（例えばＲＧＢ出力の場合赤色、緑色および青色）または類似着色（例えば白色）ＬＥＤダイの制御を可能にする。
【００５１】
図９Ｂは固体光デバイスに含まれるＬＥＤダイのアレイに対してピクセル化を提供可能な例示的制御回路３０５を示す。この例では６０個のＬＥＤダイ（ＬＤ１〜ＬＤ６０）がＬＥＤダイアレイに設けられており、各２０個のＬＥＤダイの３つの大きな群（３１４Ａ〜３１４Ｃ）に組分けされ、各々はより小さな各５個のＬＥＤダイの下位群またはチャネル（例えばＬＤ１〜ＬＤ５）にさらに分けられている。この例示的実施形態では全体的に各５個のＬＥＤダイの１２のチャネルが別々に制御できる。一例示的実施ではＲＧＢ出力用途において、第１の群のＬＥＤダイは赤色発光ＬＥＤダイを含み、第２の群のＬＥＤダイは青色発光ＬＥＤダイを含み、第３の群のＬＥＤダイは緑色発光ＬＥＤダイを含むことができる。代替的には他の例示的実施において第１、第２および第３の群のＬＥＤダイは「白色」発光ＬＥＤダイを含むことができる。
【００５２】
さらに、相互接続回路層は異なるＬＥＤダイ群用の別々の相互接続を提供するようにも設計されている。本明細書に説明した原理により異なるタイプのＬＥＤダイ群、およびより多いまたは少ない数のＬＥＤダイを利用することもできる。この構成では別々のＲＧＢ  ＬＥＤダイチャネルを駆動して「白色」または他の着色出力を提供することができる。さらに、ＬＥＤダイ劣化のために特定のダイオードチャネルが弱まるまたは暗くなる場合には、隣接のチャネルをより高電流で駆動して出力照明が不変に見えるようにすることができる。（比較的）幅広いＬＥＤダイ空間および／または相互接続層の熱管理能力のため、いくつかのＬＥＤダイチャネルへのより大きい駆動電流が全体の性能に悪影響を与えることはない。
【００５３】
さらに詳細には電圧が電源３０６により回路３０５に供給される。この電圧はブーストコンバータチップ３１２Ａ〜３１２Ｃおよびそれらの関連電子機器（図示せず）によって調整出力電流／電圧供給に変換される。このようにして電源３０６からの電圧変動を緩和することが可能であり、ＬＥＤダイに供給される電流／電圧は調整レベルに維持される。チップ３１２Ａ〜３１２Ｃは例えばナショナル・セミコンダクタ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）から入手可能なＬＭ２７３３チップを含み得る。この例示的実施形態において駆動電圧／電流パラメータは８０〜１００ｍＡで約２０ボルトであり得るため、ＬＥＤダイアレイ全体に対して合計約１．０〜１．２Ａを提供する。そして駆動電流／電圧はアレイ内の異なるＬＥＤダイチャネルに供給される。この例では各ＬＥＤダイは公称約２０ｍＡのバイアス電流を必要とし、バイアス閾値は電流の増加に伴って約４．０Ｖにまで増加する。もちろん異なるＬＥＤダイ効率または構成は異なるバイアスおよび駆動レベルを必要とし得る。
【００５４】
さらに、抵抗器／サーミスタチェーン３１６を回路３０５に含むことにより各ＬＥＤダイチャネルに対して全体の最大電流を設定することができる。さらに対応する数のＬＥＤダイチャネル電子スイッチを含むスイッチセット３１８を提供することにより、各ＬＥＤダイチャネルをグランド結合／切断して各特定のＬＥＤダイチャネルを作動させることができる。特定の用途に必要な照明パラメータに基づいて、マイクロコントローラ（図示せず）または遠隔スイッチ（例えばターンシグナル）によって、スイッチセット３１８を自動的に制御することができる。もちろんこの回路アーキテクチャは本明細書の対象である当業者に理解されるように多くの実施および変形を可能にする。例えば同一電流ですべてのＬＥＤダイを駆動するように制御回路３０５を実施することが可能であり、または代替的に所与のＬＥＤダイチャネルを自動的にまたは命令によりオン／オフすることができる。スイッチセットのスイッチレッグに固定または変動抵抗を付加することにより、異なる電流を各チャネルに印加することができる。
【００５５】
図１０はヘッドランプ用途で用いられる例示的固体光デバイス４０１の概略図を示す。例えば上述した実施形態により構成可能な固体光デバイス４０１が自動車または他の車両（図示せず）のヘッドライト区画４０２内に配置されている。レセプタクルのスロット４３８内で摺動且つ係止するように構成された摺動係合フランジ４３９を用いて、光デバイス４０１を区画４０２内に固定することができる。このため熱を光出力の方向から引き離すヒートシンク４４０が、自動車または他の車両の内部エンジン区画などの別の区画４０４内に配置されている。光線状出力照明を光学素子４１５によって要求に応じた照明パターンに集光／焦点合わせすることができる。光学素子４１５を現在の安全局（例えばＮＨＴＳＡ）基準に適合する選択出力パターンを提供するように設計することができる。例示的光学素子には非球面／アナモルフィック光学素子、および／または不連続および／または非解析（スプライン）光学素子が挙げられる。
【００５６】
この手法ではヘッドライト区画４０２内に配置された複雑な反射光学系の使用を回避することができる。さらに、熱が区画４０２から引き離されるため区画４０２内の残りの光学素子を特に熱処理する必要がなく、連続的な高強度熱への露出により生じる潜在的な性能劣化を回避する。さらに固体光デバイス４０１に上記に図６Ａ〜６Ｃに示したような出力ファイバ・出力開口構造が設けられている場合には、従来のＨＩＤランプからの出力を導く場合に現在用いなければならない移動鏡、電球および／またはレンズ機構を利用する必要なく可動出力照明を達成することができる。
【００５７】
また本明細書に説明する固体光デバイスを他の用途に用いてもよい。例えば図１１は歯科用硬化用途の概略図であり、ここで固体光デバイス５０１（図１Ａおよび１Ｂに示したものおよび／または本明細書の他の実施形態と同様な構成を有する）が歯科用硬化装置５００に含まれている。固体光デバイス５０１を歯科用硬化装置５００の把手部５１０内に配置することができる。さらに、ＬＥＤダイまたは他の固体光生成源からの出力を受容且つ導光するために用いられる出力ファイバは、硬化材料の真上に配置可能な光送出アーム５２５内に延び得る。この用途では照明を受光する材料の硬化態様に応じて紫外線および／または青色放射線源を用い得る。
【００５８】
さらなる代替用途において図１２は、ウェブ硬化ステーションなどのバルク材硬化装置の概略図である。例えば接着剤、テープまたはウェブベース製造において接着剤は、異なる材料基板に硬化させなければならない青色／紫外線硬化材料であることが多い。従来の方法では高輝度放電およびアークランプを用いて硬化プロセスを行うことが多い。しかしこれらの従来の放電ランプは光と熱とを３６０度に放射するため、複雑な熱交換および／または冷却機構を必要とする。代替的にはいくつかの従来の手法では基板材料および紫外線硬化剤を高強度熱に耐えるように構成しなければならない。
【００５９】
図１２は従来の硬化システムに見られる加熱問題に解決法を提供する。ここで硬化ステーション６００は固体光デバイス６０４（本明細書に説明した実施形態と同様に構成された）を含み、固体光デバイス６０４の放熱またはヒートシンク構成要素は熱交換ユニット６０２内に配置されている。上述したように固体光デバイス６０４の放射線源によって生成された熱は、固有のＬＥＤダイ空間、熱伝導相互接続回路および／またはヒートシンクによって、光出力の方向から離される。
【００６０】
さらに、固体光デバイス６０４は高集中放射線を放射線硬化材料に送出することができるため、硬化の深さ不足により生じる悪影響を低減することができる。ＬＥＤダイまたは他の放射線生成源の集中出力を応力緩和筐体６３０内に配置された導波路アレイによって集光且つ案内するとともに、放射線硬化材料を有する基板６５０に送出することができる。基板６５０を移動プラットフォーム、基板フィルムウェブ、またはローラベルト６５２上に配置することにより大量の材料の連続硬化を提供することができる。図５Ａ〜５Ｆに対して上記したように、導波路例えば光ファイバの出力端を多数の異なる再構成可能パターンに配置することができるため、固体光デバイスを、多様な形状および／または硬化深さ要件を有する材料を硬化するのに特に適するようにすることができる。
【００６１】
さらに他の用途において本明細書に説明した固体光デバイスを投射システムで用いることができる。ピクセル化出力を提供する能力のため、ＬＥＤダイアレイ（例えば図１の固体放射線源のアレイ１０４）はＲＧＢ出力用の異なる出力色ＬＥＤダイを含み得る。さらに、出力を多重化することにより順次走査が適当な投射画像を提供することができる。さらに本明細書に説明した実施形態の固体光デバイスを、ＬＣＤディスプレイ内のバックライティング用デバイスとして用いることができる。具体的には「白色」発光用の蛍光体塗布ダイを用いる場合、ピクセル化白色ＬＥＤダイはＬＣＤディスプレイに増加コントラスト比を提供することができる。
【００６２】
固体光デバイスがディスプレイまたは投射システムで用いられる実施形態において、個々のＬＥＤダイまたは個々のＬＥＤダイの群の出力を選択的に制御することにより、導波路アレイの出力において制御光出力空間分布を生成することができる。例えば光デバイス（例えば図１の固体光デバイス１００）の出力を空間光変調器（例えばＬＣＤアレイまたはデジタルマイクロミラーのアレイ）上に結像し、その後例えばＰＣＴ特許公報、国際公開第０３／０７７０１３Ａ２号パンフレットに記載されているような前面または背面投射型スクリーン上に結像し得る。光デバイスによって生成された光の空間分布を変調することにより投射スクリーンにおける画像のコントラスト比を増加することができる。本明細書に用いられるように用語「コントラスト比」は画像の最高輝度領域と同一画像の最低輝度領域との強度の比を指す。例えばディスプレイの比較的暗くなければならない領域は、光デバイスおよび空間光変調器の両方を比較的暗い状態にされることにより得ることができる。代替的には光デバイスのある領域および対応する空間光変調器において高輝度を有することにより最終的な表示に非常に明るい領域を生成することができる。
【００６３】
図１４Ａはディスプレイ８００の一実施形態の概略図である。図１４Ａに図示するようにディスプレイ８００は光デバイス８１０と、光デバイス８１０と光通信する空間光変調器８３０とを含む。光デバイス８１０は任意の適当な光デバイスであり得る。光デバイス８１０が本明細書に説明した任意の光デバイス、例えば図１Ｂの光デバイス１００を含むことが好ましい。図示のように光デバイス８１０は固体放射線源のアレイ８１２と、光集中器のアレイ８１４と、光学ファイバ８１６とを含む。各光学ファイバ８１６は入力端８１８と出力端８１９とを有する。図１Ｂに図示した実施形態の固体放射線源のアレイ１０４と、光集中器のアレイ１２０と、導波路１３０とに対して本明細書に説明した設計上の考察および可能性のすべては、図１４Ａに図示した実施形態の固体放射線源のアレイ８１２と、光集中器のアレイ８１４と、光学ファイバ８１６とに同等に適用される。固体放射線源のアレイ８１２が本明細書にさらに説明するようなＬＥＤダイのアレイを含むことが好ましい。
【００６４】
また本明細書に説明するように固体放射線源のアレイ８１２の各固体放射線源の出力をコントローラ（例えば図９Ａの照明システム３００のコントローラ３０４）によって制御し得る。
【００６５】
図１４Ａに図示した実施形態において光デバイス８１０からの光は空間光変調器８３０に向けられる。空間光変調器８３０は個々にアドレス可能な制御可能要素のアレイを含む（すなわち図１４Ｂの制御可能要素８３２）。空間光変調器８３０は適当なタイプの制御可能要素を含み得る。例えば空間光変調器８３０は可変透過率タイプのディスプレイを含み得る。いくつかの実施形態において空間光変調器８３０は、透過型光変調器の一例である液晶ディスプレイ（すなわちＬＣＤ）を含み得る。いくつかの実施形態では空間光変調器８３０は反射型光変調器の一例である変形可能ミラーデバイス（すなわちＤＭＤ）を含み得る。ディスプレイドライバ回路（図示せず）を用いて、表示される画像を規定するデータにより空間光変調器８３０の制御可能要素を制御することができる。さらに空間光変調器８３０は光をさらに変調器８３０から視認者に向ける１つまたは複数の光学素子、例えばレンズ、拡散器、偏光器、フィルタ、ビームスプリッタ等を含み得る。
【００６６】
光ファイバ８１６の出力端８１９が空間光変調器８３０と接するまたは離間するように光デバイス８１０を配置し得る。代替的には１つまたは複数の光学素子（図示せず）を光デバイス８１０の出力端８１９と空間光変調器８３０との間に配置し得る。
【００６７】
そして空間光変調器８３０によって変調された光を視認位置にいる視認者へ向けることができる。いくつかの実施形態において空間光変調器８３０は本明細書にさらに説明するような任意の適当な光学システムを用いて背面投射型スクリーン上に画像を向け得る。代替的には空間光変調器８３０は画像を最初にスクリーンに向けずに視認者に直接提供し得る。
【００６８】
いくつかの実施形態において空間光変調器８３０によって変調された光を、例えばＰＣＴ特許公報、国際公開第０３／０７７０１３Ａ２号パンフレットに記載されているように、１つまたは複数の追加空間光変調器に向け得る。これらの１つまたは複数の追加空間光変調器は任意の適当なタイプの要素、例えば空間光変調器、コリメータ、拡散器、フィルタ等を含み得る。
【００６９】
いくつかの実施形態において空間光変調器の空間解像度は光デバイスより大幅に高い場合がある。換言すれば空間光変調器の制御可能要素の数は光デバイスの固体放射線源の数より多い場合がある。
【００７０】
例えば図１４Ｂは図１４Ａのディスプレイ８００の空間光変調器８３０の概略図である。図１４Ｂは空間光変調器８３０の平面図を示すとともに、光デバイス８１０の光ファイバ８１６の出力端８１９により生成された空間配光出力８１７（以降出力８１７と称する）の理想図を含む。空間光変調器８３０は制御可能要素８３２（例えばピクセル）を含む。図１４Ｂに図示するように空間光変調器８３０は光デバイス８１０からの各出力８１７に（そして最終的には固体放射線源のアレイ８１２、例えばＬＥＤダイ内の各固体放射線源に）対応する９個の制御可能要素８３２を含む。空間光変調器８３０の任意の適当な数の制御可能要素８３２を光デバイス８１０の各出力８１７に対応するように提供することができる。
【００７１】
低解像度光デバイス８１０の各出力８１７の大きさは確実に最大強度から最低強度にできる規模を決定する。例えば領域８７０で最大輝度を生成するには、光デバイス８１０の出力８１７Ａおよび空間光変調器８３０の制御可能要素８３２Ａを最大輝度値に設定する。
【００７２】
２つの異なるタイプの領域が領域８７０の外側にある。例えば領域８７０が最大輝度に設定されている場合には、出力８１７Ａに対応する低解像度光デバイス８１０の固体放射線源がその最高輝度値に設定されているため、領域８７２において輝度を最低値に設定することは不可能である。領域８７４では出力８１７Ｃに対応する光デバイス８１０の固体放射線源および空間光変調器８３０の制御可能要素８３２Ｃの両方をそれらの最低輝度値に設定し得る。例えば光デバイス８１０および空間光変調器８３０の各々が１〜１００単位の輝度範囲を有する場合には、領域８７０は１００×１００＝１０，０００単位の輝度を有することもあり、領域８７２は１００×１＝１００単位の輝度を有し、さらに領域８７４は１×１単位の輝度を有することになる。光デバイス８１０の出力および空間光変調器８３０のこのような制御は、少なくとも１０００：１のコントラスト比を提供し得る。ディスプレイ８００が少なくとも１５００：１のコントラスト比を提供することは好適であり得る。換言すれば、対応する固体放射線源（例えば出力８１７Ａに対応する放射線源）が最大光出力であるとともに対応する制御可能要素（例えば制御可能要素８３２Ａ）が最大照明を提供するように設定されている第１の点（例えば領域８７０）と、対応する固体放射線源（例えば出力８１７Ｃに対応する放射線源）が最小光出力であるとともに空間光変調器８３０の対応する制御可能要素（例えば制御可能要素８３２Ｃ）が最小照明を提供するように設定されている第２の点（例えば領域８７４）との輝度比が、少なくとも１０００：１であることが好適であり得る。対応する固体放射線源が最大光出力であるとともに対応する制御可能要素が最大照明を提供するように設定されている第１の点と、対応する固体放射線源が最小光出力であるとともに空間光変調器８３０の対応する制御可能要素が最小照明を提供するように設定されている第２の点との輝度比が、少なくとも１５００：１であることがより好適であり得る。
【００７３】
任意の適当な技術を用いて光デバイス８１０および空間光変調器８３０の両方の制御することによりコントラストの向上を達成し得る。例えば所望の画像を特定する画像データをコントローラ（図示せず）に供給する。画像データは空間光変調器８３０の制御可能要素８３２の各々に対応する画像区域に対する所望の輝度を示す。コントローラは元の画像データから導出された第１の画像データセットを用いて、所望の画像の近似を提供するように光デバイス８１０の固体放射線源のアレイ８１２（ピクセルとして動作する）の各固体放射線源を設定し得る。これは例えば低解像度光デバイス８１０の各固体放射線源に対応する画像区域に対する所望の輝度値の平均または加重平均を決定することによって達成することもできる。
【００７４】
そしてコントローラは元の画像データから導出された第２の画像データセットを用いて、得られた画像を所望の画像に接近させるように空間光変調器８３０の制御可能要素８３２を設定し得る。これは例えば所望の輝度値を光デバイス８１０から空間光変調器８３０の対応する制御可能要素８３２に入射する光の強度で割ることによって行うこともできる。光デバイス８１０から空間光変調器８３０の制御可能要素８３２に入射する光の強度は、光デバイス８１０の固体放射線源のアレイ８１２の各固体放射線源からの光を空間光変調器８３０上で配光する既知の方法により計算することができる。１つまたは複数の固体放射線源８１２の寄与を合計することにより、光デバイス８１０の固体放射線源８１２が設定される方法に対して、より高い解像度の空間光変調器８３０の任意の制御可能要素８３２が照明される強度を決定することができる。
【００７５】
図１４Ｂに図示した実施形態において、空間光変調器８３０の１つまたは複数の制御可能要素８３２は３つ以上のサブピクセル８３４を含み得る。サブピクセル８３４は独立的にアドレス可能であり得る。各サブピクセル８３４は特定の色と関連しうる。例えばサブピクセル８３４Ａは赤色フィルタまたは発光素子に関連し、サブピクセル８３４Ｂは青色フィルタまたは発光素子に関連し、さらにサブピクセル８３４Ｃは緑色フィルタまたは発光素子に関連し得る。当該技術において既知の空間光変調器の任意の適当な構成を用いてカラーサブピクセル８３４を提供し得る。
【００７６】
本開示のディスプレイを任意の適当なディスプレイ構成で用い得る。例えば図１５は背面投射型ディスプレイ９００の一実施形態である。図示のようにディスプレイ９００は光デバイス９１０と、光デバイス９１０と光通信するスクリーン９２０とを含む。光デバイス９１０は本明細書に説明するような（例えば図１Ｂの光デバイス１００）任意の適当な光デバイスであり得る。光デバイス９１０は固体放射線源のアレイ９１２と、光集中器のアレイ９１４と、光ファイバ９１６とを含む。光ファイバ９１６は各々入力端９１８と出力端９１９とを含む。図１Ｂに図示した実施形態の固体放射線源のアレイ１０４と、光集中器のアレイ１２０と導波路１３０とに対して本明細書に説明した設計上の考察および可能性のすべては、図１５に図示した実施形態の固体放射線源のアレイ９１２と、光集中器のアレイ９１４と、光ファイバ９１６とに同等に適用される。固体放射線源のアレイ９１２が本明細書にさらに説明するようなＬＥＤダイのアレイを含むことが好ましい。
【００７７】
図１５に図示した実施形態において光デバイス９１０からの光はスクリーン９２０に向けられる。スクリーン９２０は空間光変調器９３０と、光デバイス９１０および空間光変調器９３０と光通信する任意選択の第１の拡散器９４０と、空間光変調器９３０と光通信する任意選択の第２の拡散器９５０とを含む。空間光変調器９３０はスクリーン９２０と一体化し得るが、代替的には空間光変調器９３０をスクリーン９２０から離間し得る。空間光変調器９３０は個々にアドレス可能な制御可能要素のアレイ（図示せず）を含む。空間光変調器９３０は任意の適当なタイプの制御可能要素を含み得る。例えば空間光変調器９３０は液晶ディスプレイを含み得る。ディスプレイドライバ回路（図１５に図示せず）を用いて、表示される画像を規定するデータに従って空間光変調器９３０の要素を制御することができる。
【００７８】
任意選択の第１の光散器９４０は任意の適当な拡散器であり得る。第１の拡散器９４０は空間光変調器９３０上に結像される光デバイス９１０からの光の強度を平滑にさせる。代替的には空間光変調器９３０を光デバイス９１０から適当な距離離間させることにより第１の拡散器９４０なしに同様な平滑作用を達成し得る。
【００７９】
またディスプレイ９００は任意選択の第２の拡散器９５０を含む。空間光変調器９３０によって変調された光は第２の拡散器９５０を通して方向付けられ、第２の拡散器９５０は、第２の拡散器９５０の空間光変調器９３０と反対側に位置する視認者がスクリーン９２０のほぼ全域から発する光を見ることができるような方向範囲に出射光を拡散する。一般的には任意選択の第２の拡散器９５０は光を水平および垂直面内の異なる角度範囲に拡散し得る。当該技術で既知の任意の適当な拡散器を第２の拡散器９５０に用い得る。
【００８０】
またディスプレイ９００は光デバイス９１０とスクリーン９２０との間に配置された１つまたは複数の光学素子９７０を含む。任意の適当な光学素子、例えばレンズ、拡散器、偏光器、フィルタ、ビームスプリッタ等を用いて光デバイス９１０からの光をスクリーン９２０に向け得る。
【００８１】
ディスプレイ９００は光デバイス９１０およびスクリーン９２０と電気通信するコントローラ９６０をさらに含む。コントローラ９６０は任意の適当なコントローラ、例えば適当な制御ソフトウェアを実行する１つまたは複数のマイクロプロセッサであり得る。コントローラ９６０は固体放射線源のアレイ９１２を制御して、空間光変調器９３０上に結像される低解像度バージョンの画像を提供し得る。またコントローラ９６０は空間光変調器９３０の制御可能要素を制御して、高空間解像度を有する特徴を供給するとともに、さもなければ光デバイス９１０により提供される画像を補正し得る。
【００８２】
またディスプレイ９００は光デバイス９１０内の異なる固体放射線源９１２間の明るさの差を補償する較正機構を含み得る。任意の適当な較正機構、例えばＰＣＴ特許公報、国際公開第０３／０７７０１３Ａ２号パンフレットに記載された機構を用い得る。例えば光検出器をＬＥＤのアレイの異なるＬＥＤからの光を捕捉する異なる位置に移動し得る。コントローラ（例えば図１５のコントローラ９６０）は光検出器からの信号を受け取る。この信号は所与の電流に対する各ＬＥＤにより発光された光の明るさを表わすことができる。１つまたは複数のＬＥＤにより発光された光の明るさが所望値と異なる場合には、コントローラは各ＬＥＤに供給される電流に加えられる補正を決定する。コントローラは次にＬＥＤのアレイの１つまたは複数のＬＥＤに補正を加えることができる。
【００８３】
いくつかの実施形態において光デバイス９１０からの光を、例えばＰＣＴ特許公報、国際公開第０３／０７７０１３Ａ２号パンフレットに記載されているように１つまたは複数の追加空間光変調器に向け得る。これらの１つまたは複数の追加空間光変調器は任意の適当なタイプの要素、例えば空間光変調器、コリメータ、拡散器、フィルタ等を含み得る。
【００８４】
いくつかの実施形態において各固体放射線源９１２は、空間光変調器９３０の対応する制御可能要素がリフレッシュされている間、暗くされるかオフされ得る。例えばいくつかの空間光変調器は、視認者がリフレッシュを知覚可能なほどゆっくりとリフレッシュする。これは「モーションブラー」と呼ばれる望ましくない効果を生じる。
【００８５】
適正なタイミングで、空間光変調器９３０の各列がリフレッシュされている時に、対応する固体放射線源９１２をオフするまたは暗くすることができる。他の時間では対応する固体放射線源９１２を視認者が所望の明るさを知覚するように十分にオーバードライブすることができる。視認者の目は固体放射線源９１２の速いちらつきを知覚することができない。その代わり視認者は平均の明るさを知覚する。通例固体放射線源のアレイ９１２の動作を多重化することが望ましい。例えばＬＥＤを多重動作させる場合、固体放射線源９１２のアレイの多重化を空間光変調器９３０のリフレッシュと同期させることによりモーションブラー補正することができる。
【００８６】
本開示の例示的実施形態を検討するとともに、本開示の範囲内の可能な変更例に言及した。本開示のこれらおよび他の変更例および変形例は本開示の範囲から逸脱することなく当業者には明らかになるであろうとともに、本開示が本明細書に記載する例示的実施形態に限定されないことは理解されよう。従って本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１Ａ−１Ｂ】図１Ａは固体光デバイスの一実施形態の斜視図であり図１Ｂは分解図である。
【図２】相互接続回路上に配置されたＬＥＤダイアレイの一実施形態の概略平面図である。
【図３】固体光デバイスの他の実施形態の側面図である。
【図４】非結像光集中器によって光ファイバに結合された個々のＬＥＤダイの他の実施形態の近接図である。
【図５Ａ−５Ｆ】固体光デバイスのファイバ出力パターンの代替実施形態である。
【図６Ａ−６Ｃ】図６Ａは可動出力用の代替ファイバ出力パターンの一実施形態であり、図６Ｂおよび図６Ｃはそれぞれ可動出力用のバンディングおよび支持構造実施の代替実施形態である。
【図７Ａ】ファイバの出力端の一部が角度研磨された出力面を有する可動出力用のファイバ出力パターンの一実施形態である。
【図７Ｂ】曲面を形成する出力端を有するファイバ出力パターンの他の実施形態である。
【図８】ファイバアレイコネクタの一実施形態である。
【図９Ａ】ピクセル化に適した固体照明システムの一実施形態である。
【図９Ｂ】ピクセル化に適したコントローラ回路の一実施形態である。
【図１０】ここで「クール」ヘッドライトとして用いられる、固体光デバイスの実施の一実施形態である。
【図１１】ここで歯科用硬化装置の一部として用いられる、固体光デバイスの実施の他の実施形態である。
【図１２】ここで放射線硬化装置の一部として用いられる、固体光デバイスの実施の他の実施形態である。
【図１３】可動出力発光の一実施形態である。
【図１４Ａ】光デバイスと空間光変調器とを有するディスプレイの一実施形態の概略図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの空間光変調器の概略図である。
【図１５】光デバイスと空間光変調器とを有する背面投射型ディスプレイの一実施形態の概略図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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