Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 113 793.4 vom 23. Mai 2019, die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 118 082.1 vom 04. Juli 2019, und die Priorität der internationalen Anmeldung

PCT/EP2020/052191 vom 29. Januar 2020, deren Offenbarungen hier mit durch Rückbezug mit aufgenommen werden.

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung mit einem lichtemittierenden optoelektronischen Element sowie eine Licht führungsanordnung mit einer Anzeigevorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren.

HINTERGRUND

In einigen Anwendungen muss das von einer Anzeigevorrichtung erzeugt Licht noch geeignet geführt und ausgekoppelt werden, um die gewünschte Wirkung zu erreichen. Die immer größer werdenden Anzeigen, beispielsweise in Displays oder auch TV-Geräten füh ren je nach Position des Benutzers zu unterschiedlichen Be trachtungswinkeln, die Farben und auch den Kontrast verfälschen können. In einigen anderen Bereichen sollte der erzeugte Licht strahl bereit kollimiert sein, damit er in weitere Vorrichtungen geeignet eingekoppelt werden kann. Im Folgenden wird daher ein Konzept vorgestellt, dass auf einer gekrümmten Emissionsober fläche, einem foveated Display beruht. Daneben soll ein geringer Abbildungsfehler erreicht werden.

Ausgangspunkt des Konzeptes ist eine Beleuchtungsanordnung mit einem lichtemittierenden optoelektronischen Element und einer optischen Vorrichtung zur Strahlumwandlung der vom lichtemit tierenden optoelektronischen Element erzeugten elektromagneti- sehen Strahlung, wobei das optoelektronische Element mehrere in Matrixform angeordnete Emissionsbereiche umfasst und jedem Emissionsbereich eine Hauptstrahlrichtung zugeordnet ist. Hierbei wurde erkannt, dass die dem lichtemittierenden opto elektronischen Element im Strahlengang nachfolgende optischen Vorrichtung, dann vereinfacht ausgebildet sein kann, wenn we nigstens ein Teil und bevorzugt alle Emissionsbereiche des lichtemittierenden optoelektronischen Elements so angeordnet sind, dass deren Mittelpunkte auf einer gekrümmten Fläche lie gen. In einem Aspekt kann dies mit einer konkav gekrümmten Fläche erreicht werden. Unter dem Mittelpunkt eines Emissions bereichs wird vorliegend der Schnitt der Hauptstrahlrichtung mit der elektromagnetischen Strahlung aussendenden Oberfläche der Emissionsbereiche verstanden.

In einem Aspekt bildet die gekrümmte Fläche ein Kugelsegment, dessen zugeordneter Kugelmittelpunkt auf der optischen Achse der optischen Vorrichtung liegt. Für die bevorzugte konkave gekrümmte Fläche zur Anordnung der Mittelpunkte der Emissions bereiche liegt der Kugelmittelpunkt in Richtung des Strahlen gangs beabstandet zum lichtemittierenden optoelektronischen Element. Alternativ ist die gekrümmte Fläche ein rotierender Kegelschnitt, zum Beispiel ein Ellipsoid, Paraboloid oder Hy perboloid .

Für eine erste Ausführung sind benachbarte Emissionsbereiche gegeneinander verkippt, sodass die Hauptstrahlrichtungen der Emissionsbereiche zueinander in Winkelstellung stehen. Für eine zweite, alternative Ausführung liegen Emissionsbereiche mit ei ner übereinstimmenden Hauptstrahlrichtung vor, die auf ver schiedenen Ebenen mit einem unterschiedlichen Abstand in Haupt strahlrichtung zur optischen Vorrichtung angeordnet sind.

Für eine weitere Ausführung wird vorgeschlagen, dass die opti sche Vorrichtung eine Systemoptik, insbesondere eine abbildende Projektionsoptik bildet. Durch die Anordnung der Emissionsbe reiche gelingt eine verbesserte Kompensation der Feldkrümmung der Systemoptik. Zusätzlich kann die Abbildung in der Projek tionsoptik vereinfacht werden. Für eine Weitergestaltung dieser Konzepte sind zwischen den Emissionsbereichen und der Systemop tik mehrere nicht-planar angeordnete, kollimierende optische Elemente vorgesehen.

In einem Aspekt bildet jeder einzelne Emissionsbereich einen separaten Lambert-Strahler. Des Weiteren sind die Emissionsbe reiche sehr kleinflächig angelegt und weisen maximale Kanten längen im Bereich von lOOpm bis 500pm auf, insbesondere im Bereich von 150pm bis 300pm auf. Für eine Ausführung der Be leuchtungsanordnung wird mindestens einer der Emissionsbereiche durch die Apertur eines einem optoelektronischen Bauelement o- der LED zugeordneten Primäroptikelements oder eines einer LED zugeordneten Konverterelements gebildet. Alternativ können die Emissionsbereiche bereit kollimierende Elemente umfassen, bei spielsweise in Form einer photonischen Struktur. Dabei können die Emissionsbereiche, deren Mittelpunkte auf einer gekrümmten Fläche liegen, Teil eines monolithischen pixelierten Optochips sein oder diese sind in mehreren auf einem nicht-planaren IC- Substrat angeordneten, separaten Optochips angelegt.

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl unterschiedlicher Projektionseinheiten bekannt, mit denen Bilder bedarfsgerecht in gezielt festgelegten Bildebenen darstellbar sind. Derartige Projektionseinheiten kommen bei verschiedenen Anwendungen, bei spielsweise in Kraftfahrzeugen, zum Einsatz. Bei diesen Anwen dungen von Projektionseinheiten werden regelmäßig vergrößerte Bilder in einem Abstand vom Betrachter angezeigt. Die Projek tionsoptik kann in einigen Fällen zusätzlich die Funktion einer Lupe oder einer anderen Vergrößerungsoptik übernehmen, so dass die Anzeigevorrichtung im Strahlengang vor der Projektionsoptik vergrößert ist.

In diesem Zusammenhang sind aus der EP 1 544 660 und der DE 197 51 649 Al Anzeigeeinrichtungen für Kraftfahrzeuge bekannt. Bei letzterer wird ein Zwischenbild auf einer Mattscheibe verwen det, um mittels weiterer Optiken das Bild seitenrichtig für den Fahrer auf der Windschutzscheibe abzubilden. Auf diese Weise ist eine Abbildung von Instrumenten, Warnanzeigen oder sonsti gen für den Fahrer wichtigen Hinweisen, direkt im Blickfeld möglich, sodass dieser die Information sehen kann, ohne seinen Blick von der vor ihm liegenden Fahrstrecke abwenden zu müssen. Daneben sind weitere Projektionseinheiten bekannt, deren Pixel Licht emittieren, das aus Licht unterschiedlicher Farben ge mischt wird. In diesen Lösungen wird Licht räumlich getrennt erzeugt und anschließend durch geeignete optische Elemente, wie beispielsweise eine achromatische Linse, gemischt und zu einem Strahl zusammengeführt. Bei Displays, welche die Farbe anhand in Matrixform angeordneten Pixeln auf einer Oberfläche erzeu gen, muss das Licht ausreichend kollimiert sein, um benachbarte Pixel unterschiedlicher Farbe gerade bei hohen Füllfaktoren auflösen zu können.

Andere Lösungen schlagen demgegenüber vor, LEDs mit einer nied rigen Packungsdichte zu verwenden. Eine solche führt aber zu deutlichen Unterschieden zwischen punktuell ausgeleuchteten und dunklen Bereichen bei der Betrachtung einer einzelnen Pixelflä che. Dieser sogenannte Fliegengitter-Effekt ( Screen-Door-Ef- fekt) zeigt sich besonders deutlich bei einem geringen Betrach tungsabstand und damit insbesondere bei Anwendungen wie AR-Bril- len oder VR-Brillen.

Ausgehend von den bekannten Problemen sollen weitere Lösungen vorgeschlagen werden. Es wird dabei als nicht unwesentlich an gesehen, dass die für die Strahlführung und Strahlformung ver wendete Optik eine möglichst hohe Effizienz aufweist, sodass die optischen Verluste erheblich minimiert werden.

Ein Aspekt betrifft somit eine Projektionseinheit mit einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung und einer Projektionsop tik, wobei die optoelektronische Leuchtvorrichtung eine Matrix mit Pixeln zur Emission von sichtbarem Licht aufweist. Jedes Pixel umfasst mehrere optoelektronischen Bauelemente oder auch LEDs mit spektral unterschiedlicher Lichtemission, sodass un terschiedlich farbige Subpixel gebildet werden. Hierbei ist jede LED separat ansteuerbar und kann gegebenenfalls an die in dieser Anmeldung offenbarten Treiberschaltungen angeschlossen sein. Die Matrix mit Pixeln umfasst in einigen Aspekten ein oder mehrere LED Module . Verschiedene Maßnahmen wie eine transparente Deckelektrode, eine photonische Struktur oder ähnliches können vorgesehen sein, um die Auskopplung und Direktionalität zu ver bessern. In einer Ausgestaltung kann die Matrix durch Pixelmo- dule (mit jeweils drei Subpixeln) gebildet werden, die an einem Trägersubstrat befestigt sind. Das Trägersubstrat kann Zulei tungen und Ansteuerschaltungen enthalten und in einem gegenüber der Matrix unterschiedlichen Materialsystem gefertigt sein.

Ferner ist jedem Pixel eine separate Kollimationsoptik zugeord net, die der Projektionsoptik zur Erhöhung des Füllfaktors vor geschaltet ist. Erfindungsgemäß ist die Kollimationsoptik so ausgebildet, dass im Strahlengang vor der Projektionsoptik ver größerte und einander überlagernde Zwischenbilder der LEDs des jeweiligen Pixels erzeugt werden. Demnach erhöht die jedem Ein zelpixel zugeordnete Kollimationsoptik nicht nur den Ausleuch tungsgrad eines Pixels, sondern ermöglicht zusätzlich eine Orts korrektur der Abstrahlung der Subpixel bildenden LEDs durch eine möglichst genaue Überlagerung der Subpixelzwischenbilder, die eine effiziente Lichteinkopplung in die im Strahlengang nach folgende Projektionsoptik ermöglicht. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass eine derartige Optik bei den hier vorgestellten Konzepten geeignet wäre, welche z.T. redundante Subpixelele mente vorsehen.

Zweckmäßig ist eine solche Ausgestaltung der Kollimationsoptik, die zu einem möglichst hohen Überlappungsgrad der Zwischenbil der der LEDs führt, welche zum selben Pixel gehören. Als geeig net hat sich eine Überlappung der Zwischenbilder der LEDs eines Pixels von mindestens 85% und weiter von mindestens 95% ihrer Zwischenbildfläche erwiesen. Ferner ist eine Ausführung bevor zugt, für die die Zwischenbilder der LEDs virtuelle Zwischen- bilder sind. In einem Gesichtspunkt erzeugt die Kollimationsop tik ein virtuelles Bild der Subpixel, sodass die Größe des virtuellen Bildes eines Subpixels der Größe des Pixels ent spricht. Des Weiteren ist die Kollimationsoptik bevorzugt zwi schen den LEDs eines Pixels und der Projektionsoptik angeordnet.

Die Licht mit unterschiedlicher Farbe emittieren LEDs können gleich große Flächenbereiche des Pixels belegen oder die jeweils von den Subpixeln belegten Flächen sind an die Lichtemission angepasst und unterschiedlich groß. Für eine Ausführung ist vorgesehen, dass das Subpixel, das grünes Licht emittiert, im Vergleich zu den beiden anderen Subpixeln den größten Oberflä chenbereich des Pixels belegt oder zumindest über einen größeren Flächenbereich grünes Licht ausgesendet wird. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass das Auge für die grüne Farbe am sensi tivsten ist. Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn der von Sub pixeln für rotes Licht belegte Oberflächenbereich eines RGB- Pixels größer ist, als der von blauen Licht emittierenden Sub pixeln belegte Oberflächenbereich. Gemäß dieser Ausführungsform wird grünes Licht über einen größeren Oberflächenbereich des Pixels als rotes Licht emittiert, und rotes Licht wird wiederum über einen größeren Oberflächenbereich des Pixels als blaues Licht emittiert. Mittels der vorgeschlagenen Kollimationsoptik des Pixels werden von den unterschiedlich großen und örtlich unterschiedlich angeordneten LEDs der Subpixel Zwischenbilder im Strahlengang vor der Projektionsoptik erzeugt, die einen hohen Überlappungsgrad aufweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt werden kleinbauende LEDs verwendet, sodass in den einzelnen Pixeln große Oberflächenbereiche vor liegen, die kein Licht emittieren. Bevorzugt ist, dass die Halb leiterleuchtvorrichtungen eines Pixels nicht mehr als 30 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 15 %, ganz besonders bevor zugt nicht mehr als 10 % der Pixelfläche belegen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein optisches und elektrisches Übersprechen zwischen den einzelnen Pixeln verhindert wird. Vorzugsweise sind die Subpixel derart angeordnet, dass diese nicht unmittelbar am Rand eines Pixels liegen und nicht anei nander angrenzen. Unter dem Begriff LEDs fallen neben LEDs auch farbkonvertierte LEDs oder VCSELs mit derartiger Kantenlänge oder LEDs ausgeleuchtete Lichtwellenleiterendstücke.

Die jedem Pixel zugeordnete Kollimationsoptik bietet hierbei den Vorteil, dass das von den Subpixeln emittierte Licht in ein vorkollimiertes Strahlenbündel umgewandelt wird, das daraufhin auf vorteilhafte Weise der Erzeugung eines Bildes durch wenigs tens ein weiteres Optikelement zur Verfügung steht. Durch den Einsatz wenigstens einer geeigneten Kollimationsoptik sind so mit vorkollimierte Lichtstrahlen erzeugbar, sodass wiederum ein optisches Übersprechen zwischen den einzelnen von den Subpixeln emittierten Lichtstrahlen verhindert oder zumindest verringert wird. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Kollimationsoptik über wenigstens ein holografisch optisches Element (HOE) ver fügt, das die unterschiedlichen Positionen der drei Halbleiter leuchtvorrichtungen auf der Fläche des Pixels kompensiert. Al ternativ oder in Ergänzung ist es denkbar, dass diese Funktion durch ein refraktives optisches Element (ROE), das Bestandteil der Kollimationsoptik ist, bewirkt wird. Ebenso ist es denkbar, dass ergänzend oder alternativ ein diffraktives optisches Ele ment (DOE) verwendet wird, um eine geeignete Kompensation der unterschiedlichen Positionen der Halbleiterleuchtvorrichtungen auf der ausgeleuchteten Fläche im Zwischenbild des Pixels zu erreichen .

In weiteren Aspekten wird die Projektionseinheit weitergebil det. Sie umfasst in einer Ausgestaltung eine Projektionsoptik, die im Strahlengang der Kollimationsoptik nachgeordnet ist. Mithilfe der Projektionsoptik wird aus den einzelnen Zwischen bildern, die mithilfe der Kollimationsoptik erzeugt wurden, ein Bild oder ein weiteres Zwischenbild erzeugt, das direkt oder in weiterverarbeiteter Form verwendet wird, um dem Betrachter die gewünschte Information anzuzeigen. Die Projektionsoptik verfügt hierbei über geeignete optische Elemente, wie beispielsweise Umlenkspiegel, Strahlteiler und/oder Linsen, die vorzugsweise von einer Steuereinheit angesteuert und so gezielt bewegt werden können, um bedarfsgerecht eine Strahllenkung und oder Strahlum formung zu bewirken, sodass Informationen in leicht verständ licher und wahrzunehmender Form auf einem Display, auf einem Mattschirm und/oder als virtuelles Bild, beispielsweise vor der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, dargestellt werden.

Eine vorgeschlagene Projektionseinheit, gemäß zumindest einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann zur Erzeugung eines Bildes für ein Head-up-Display in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Nachfolgend werden beispielhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung im Zusammenhang mit Figurendarstellungen im Detail erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch, Folgendes:

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lichtfüh rungskonzeptes einer gekrümmten Lichtfläche nach einigen Aspek ten des vorgeschlagenen Konzeptes;

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht für das Ausführungs beispiel des Lichtführungskonzepts mit separaten LEDs auf einem nicht-planaren IC-Substrat;

Figur 3 stelle eine dritte Ausführung einer Lichtführung mit einem monolithischen pixelierten Chip nach weiteren Gesichts punkten dar;

Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Lichtfüh rung mit einigen Aspekten;

Figur 5 ist eine Weitergestaltung einer der obigen Ausgestal tungen gemäß einigen Aspekten des vorgestellten Konzeptes;

Figur 6 ist eine weitere Ausführung des Beispiels der Figur 2, mit zusätzlichen lichtformenden Strukturen; Figur 7 ist eine Ergänzung zur Ausgestaltung der Figur 5, wobei hier im Strahlengang eine photonische Struktur angeordnet ist;

Figur 8A zeigt eine weitere Ausgestaltung basierend auf dem Beispiel zur Figur 4;

Figur 8B stellt eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung eines stufenförmigen Substrats dar;

Figur 9A zeigt eine Matrix mit RGB-Pixeln, welche einen hohen Füllfaktor aufweist;

Figur 9B ist eine schematische Darstellung der Strahlführung in einer konventionellen Projektionseinheit;

Figur 10 zeigt eine Ausgestaltung einer ausgeführten Matrix mit RGB-Pixeln, die einen kleinen Füllfaktor aufweist gemäß einigen Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts;

Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer ausge führten Matrix mit RGB-Pixeln, die einen kleinen Füllfaktor aufweist gemäß einigen Aspekten;

Figur 12 illustriert eine Draufsicht auf eine ausführungsform einer Matrix mit einer darauf angeordneten lichtformenden Struk tur;

Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektions einheit nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;

Figur 14 zeigt als schematische Darstellung die Erzeugung eines Zwischenbilds durch die Projektionseinheit der vorherigen Fi gur;

Figur 15 zeigt chromatische Phasenfunktion der Kollimationsop tik von Figur 13;

Figur 16 stellt eine Metalinse der Kollimationsoptik nach ei nigen Ausführungen des vorgeschlagenen Konzepts dar; Figur 17 zeigt eine schematische Seitenansicht eines monolithi schen Arrays mit mehreren integrierten LEDs zur Erläuterung einiger Aspekte des vorgeschlagenen Konzepts;

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf vor allem auf An zeigevorrichtungen und Displays und somit auf Basiseinheiten und Modulen aus optoelektronischen Bauelementen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendung oder die dar gestellten Bauelemente beschränkt. Vielmehr lassen sich die vorgestellten Prinzipien und Ausführungen verallgemeinern, so dass sie für eine Vielzahl elektronischer Anwendungen und Ap plikationen geeignet sind, bei denen eine Skalierung d.h. eine Kombination gleicher Bauelemente notwendig ist.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lichtführung, bei der mittels eines foveated Displays eine geeignete Strahlfüh rung erreicht wird. In der Figur 1 wird Beleuchtungsanordnung beispielsweise einer Anzeigevorrichtung oder eines Displays vorgeschlagen, die ein lichtemittierendes optoelektronisches Element 1 und eine optische Vorrichtung 6 zur Strahlumwandlung bzw. zur Strahlformung der von der lichtemittierenden opto elektronischen Anordnung 1 erzeugten elektromagnetischen Strah lung umfasst. In diesem Zusammenhang umfasst eine lichtemittie rendes optoelektronisches Anordnung 1 eine Vielzahl von LEDs, die im Betrieb Licht einer Farbe emittieren. Die lichtemittie rende optoelektronische Anordnung 1 ist so gestaltet, dass die LEDs verschiedene Farben emittieren. Drei LEDs bilden als Sub pixel Teil eines gesamten Pixels. Die lichtemittierende opto elektronische Anordnung enthält in einer Ausgestaltung somit eine Vielzahl derartiger Pixel.

Die optische Vorrichtung 6 stellt eine Systemoptik 19 in Form einer abbildenden Projektionsoptik 20 dar und umfasst im Strah lengang aufeinanderfolgend eine planparallele Linse 21 und eine erste asphärische Linse 22 und eine zweite asphärische Linse 23, die eine Abbildung der lichtemittierenden optoelektroni schen Anordnung 1 realisieren.

Des Weiteren zeigt Figur 1, dass die lichtemittierende opto elektronische Anordnung 1 mehrere in Matrixform angeordnete Emissionsbereiche 3.1, 3.2 umfasst. Diese weisen jeweils ein oder mehrere LEDs (für verschiedene Farben) auf. Optional können die LEDs bereits Primäroptiken 12 umfassen. Diese Primäroptiken können Konverterelemente, Auskoppelstrukturen oder auch photo- nische Kristalle enthalten, um bereits beim Lichtaustritt eine gewisse Strahlformung zu erreichen. Jedem der Emissionsbereiche 3.1, 3.2 ist eine Hauptstrahlrichtung 4.1 und 4.2 zugeordnet. Zur wenigstens teilweisen Kompensation der in der optischen Vorrichtung entstehenden Feldkrümmung sind die Mittelpunkte 7 der Emissionsbereiche 3.1, 3.2 auf einer gekrümmten Fläche 5 angeordnet, die für das vorliegende Ausführungsbeispiel ein Ku gelsegment 24 mit einem zugeordneten Kugelmittelpunkt 30 auf der optischen Achse 10 der optischen Vorrichtung 6 bildet.

Für eine mögliche Dimensionierung ist für eine lichtemittierende optoelektronische Anordnung 1 mit dem Durchmesser D von 3,7mm ein Radius R von 10mm für die gekrümmte Fläche 5 zur Anordnung der Emissionsbereich 3.1, 3.2 gewählt und für die im Strahlen gang nachfolgende planparallele Linse 21 der optischen Vorrich tung 6 werden ein Material mit einem Brechungsindex von mindes tens 1,6 und eine Dicke in Richtung der optischen Achse 10 von mindestens dem doppelten des Durchmessers D eingesetzt.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht für ein Ausführungs beispiel der Beleuchtungsanordnung mit einer lichtemittierenden optoelektronischen Anordnung 1, das mehrere Emissionsbereiche

3.1 - 3.5 umfasst, die durch Aperturen der Primäroptiken von separaten Optochips 17.1- 17.5 in der Form von LEDs gebildet werden. Dargestellt ist eine Anordnung der separaten Optochips

17.1 - 17.5 auf einem nicht-planaren IC-Substrat 16, sodass die Mittelpunkte 7 der Emissionsbereiche 3.1 - 3.5 auf einer konkav gekrümmten Fläche 5 liegen. Jeder der Emissionsbereiche 3.1 - 3.5 bildet einen Lambert Strahler 11 dem eine Hauptstrahlrich tung 4.1 - 4.5 zugeordnet ist, wobei aufgrund des nicht-planaren IC-Substrats in Form eines der optischen Vorrichtung 6 zuge wandten Kugelsegments 24 die Hauptstrahlrichtungen 4.1 - 4.5 einen gemeinsamen Schnittpunkt auf der optischen Achse 10 der optischen Vorrichtung 6 aufweisen. Durch Primäroptikelemente 12 (vgl. Figur 249) kann die Lambertsche Emission der Emissions bereiche 3.1 - 3.5 in eine nicht-Lambertsche Emission, insbe sondere in eine Emission mit einem engeren Öffnungswinkel, transformiert werden.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsalternative in vergrößerter Teil ansicht, mit einer nur angeschnitten dargestellten optischen Vorrichtung 6. Ersichtlich ist ein ebenes IC-Substrat 28 mit einer schematisch vereinfacht skizzierten Steuereinrichtung 25, die typischerweise Treiberkomponenten sowie Schnittstellen- und Speicherelemente umfasst. Auf dem ebenen IC-Substrat 28 ist ein monolithisch pixelierter Optochip 14 angeordnet, der eine in einem gemeinsamen Verfahren hergestellte lichtemittierende optoelektronische Anordnung 1 mit mehreren auf einer konkav gekrümmten Fläche 5 eines Bereichs 15 des Chips 14 liegenden Emissionsbereichen 3.1 - 3-5 aufweist, die jeweils durch ein Konverterelement 13 gebildet werden. Entsprechend zur vorheri gen Ausführung stehen die Hauptabstrahlrichtungen 4.1 - 4.5 der Emissionsbereiche 3.1 - 3.5 zueinander in Winkelstellung und schneiden sich auf der optischen Achse 10 der optischen Vor richtung 6.

Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Beleuch tungseinrichtung mit einer lichtemittierenden optischen Anord nung 1, umfassend ein gestuftes IC-Substrat 29. Auf konzentrisch angeordneten Ringflächen 8.1, 8.2, 8.3 des gestuften IC-Sub- strats 29 sind separate Optochips 17.1 - 17.5, die durch LEDs 11 gebildet werden, so angeordnet, dass die Mittelpunkte 7 der durch Primäroptikelemente 12 der jeweiligen LEDs 11 gebildeten Emissionsbereiche 3.1 - 3.5 auf einer konkav gekrümmten Fläche 5 liegen, während die Hauptstrahlrichtungen 4.1 -4.5 der Emis sionsbereich 3.1 - 3.5 eine übereinstimmende Orientierung auf weisen. Mithin unterscheiden sich die Abstände der separaten Optochips 17.1-17.5 zur planparallelen Linse 21 der optischen Vorrichtung 6 und damit der Strahlquerschnitt im sich aufwei tenden Strahlengang vor der optischen Vorrichtung 6, falls eine Anordnung auf unterschiedlichen Ringebenen 8.1 - 8.3 vorliegt.

Figur 5 zeigt eine Weitergestaltung der Erfindung ausgehend von der in Figur 4 gezeigten Variante, wobei zusätzlich zwischen den auf einer konkav gekrümmten Fläche 5 angeordneten Mittel punkten 7 der Emissionsbereiche 3.1 -3.5 und der planparallelen Linse 21 der optischen Vorrichtung 6 ein ebenfalls konkav ge krümmtes kollimierendes optisches Element 18 angeordnet ist. Für die dargestellte Ausführung umfasst das kollimierende op tische Element 18 eine gekrümmte Lochblende 26 und eine ge krümmte Linsenanordnung 27, die einen Abstrahlwinkelfilter bil den. Die Funktionskomponenten des kollimierenden optischen Ele ments 18 können einzelnen oder mehreren Emissionsbereichen 3.1 - 3.5 zugeordnet sein. Für eine im Einzelnen nicht dargestellte Ausführung dient jede Funktionskomponente des kollimierenden optischen Elements 18 zur Vorkollimation mehrerer zu einem Pixel gehörender und mit unterschiedlichen Farben abstrahlenden Emis sionsbereichen 3.1 - 3.5.

Figur 6 zeigt hierzu eine Ergänzung der Gestalt, dass die Optochips 17.1 bis 17.5 als LED Anordnungen mit einer zusätz lichen lichtformenden Struktur auf der Oberseite der Emissions fläche ausgebildet. Dadurch wird eine Lichtführung verbessert, und die Strahlungscharakteristik der einzelnen Optochips ver ändert. Es ergibt sich durch die lichtformende Struktur, die beispielsweise als photonischer Kristall in einem Halbleiter material des Optochips ausgeführt ist, eine höhere Direktiona- lität des emittierten Lichts. Die lichtformende Struktur kann auf verschiedene Weise ausgebildet werden. Die Ausgestaltung der Figur 7 basiert auf dem Beispiel der Figur 4. Auch hier ist eine lichtformende Struktur ausgebildet, deren Breite jedoch variiert und der Form bzw. der Oberfläche des Körpers 1 folgt.

Figur 8A und 8B zeigen eine weitere Ausführung in Querschnitts darstellung und Draufsicht. Bei dieser sind auf den konzentrisch angeordneten Flächen 8.1, 8.2, 8.3 des gestuften IC-Substrats aus LEDs 3a, 3b und 3c angeordnet. In einer Draufsicht ist dies anhand einer weiteren Ausführung genauer gezeigt, wobei das gestufte Substrat rechteckige gestufte Flächen umfasst, die einzelnen optoelektronischen Bauelemente bzw. Leuchtdioden sind als horizontale Dioden ausgeführt, d.h. sie haben ihre beiden Kontakte auf einer Seite. Die ist in der Figur 8B durch die beiden unterschiedlichen Flächen (weiß und schraffiert) ange deutet. Je nach Stufe in dem IC Substrat sind mehrere Leicht dioden vorgesehen, von denen einige hier auf dem Substrat an geordnet sind.

Die folgenden Figuren beschreiben den weiteren in dieser Anmel dung angeführten Aspekt. Figur 9A illustriert in Draufsicht ein RGB-Emitterarray nach dem Stand der Technik mit einer opto elektronischen Leuchtvorrichtung 1, die als Matrix mit RGB- Pixeln 40 ausgebildet ist, welche rotes, grünes oder blaues Licht emittieren. Die RGB-Pixel 40 zeichnen sich durch einen hohen Füllfaktor aus. Dies bedeutet, dass ein großer Teil der Fläche 5 der einzelnen RGB-Pixel 40 als lichtemittierende Fläche genutzt wird. Figur 9B zeigt in einer schematischen Darstellung beispielhaft die Strahlführung, die in Projektionseinheiten mit einer Projektionsoptik 7 vorliegt. Die Projektionsoptik 7 um fasst alle 3 in Figur 9B gezeigten Linsen, auch die Linse bzw. Platte 52. Zu erkennen ist, dass die von den einzelnen RGB- Pixel 40 emittierte Strahlung nicht kollimiert wird. Wie in Figur 9B dargestellt, gelangen nur die von den RGB-Pixeln 40 emittierten Strahlen mit einem Abstrahlwinkel zwischen +45° und -45° in die Elemente der Projektionsoptik 7, die der Platte 52 nachgeordnet sind. Da die RGB-Pixel 40 gemäß dem Lambertschen Strahlungsgesetz Licht emittieren, kann daher ohne Kollimation der Strahlung ein Teil der von den RGB-Pixel 40 emittierten Strahlung nicht zur Bilderzeugung verwendet werden, was letzt endlich einen Effizienzverlust bedeutet.

Figur 10 zeigt in schematisch vereinfachter Draufsicht eine optoelektronische Leuchtvorrichtung 1 mit einem vorgeschlagenen ausgeführten RGB-Emitterarray nach einigen hier offenbarten As pekten mit sechs Pixeln, wobei für das exemplarisch mit Bezugs zeichen versehene Pixel 2.1 die zugeordnete Pixelfläche 5 dar gestellt ist. Das Pixel 2.1 umfasst getrennt angelegte, Subpixel bildende LEDs 3.1, 3.2, 3.3, die als LEDs ausgebildet sind und die für das dargestellte Ausführungsbeispiel rotes, grünes und blaues Licht emittieren. Die einzelnen Pixel 2.1 zeichnen sich durch einen kleinen Füllfaktor aus, sodass nur ein vergleichs weise kleiner Teil der Pixelfläche 5 durch die LEDs 3.1, 3.2, 3.3 belegt ist. Im Übrigen sind die LEDs 3.1, 3.2, 3.3 derart angeordnet, dass ein vergleichsweise großer Abstand zwischen den einzelnen lichtemittierenden Flächen der Subpixel gebildet wird. Einerseits sind die LEDs 3.1, 3.2, 3.3 bzw. die LEDs mit Abstand zum Rand der Pixel 2.1 angeordnet, dass es nicht zum optischen und/oder elektrischen Übersprechen zwischen benach barten Pixeln 2.1 kommt. Andererseits sind auch die LEDs 3.1, 3.2, 3.3 innerhalb der einzelnen Pixel 2.1 derart angeordnet, dass ein optisches und elektrisches Übersprechen zwischen den einzelnen Halbleiterleuchtvorrichtungen 3.1, 3.2, 3.3 eines Pi xels 2.1 verhindert oder zumindest minimiert werden kann. Bei der Anordnung der einzelnen LEDs 3.1, 3.2, 3.3 wird die Ab strahlcharakteristik und die benötigte Lichtleistung zur Erzeu gung der gewünschten Bilder berücksichtigt. Zusätzlich kann, wie hier im ganz links oberen Pixel dargestellt, eine reflek tierende Erhebung 2.4 ausgestaltet sein. Ebenso kann eine trans parente Deckelektrode angebracht sein. Ausführungen hierzu sind in dieser Anmeldung offenbart.

Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf eine aus RGB-Pixeln gebildete Matrix, die eine optoelektronische Leuchtvorrichtung 1 einer vorgeschlagenen Projektionseinheit bildet. Beispielhaft ist eine Pixelfläche 5 des Pixels 2.2 gestrichelt dargestellt. Das Pixel 2.2 umfasst drei Subpixel bildende Halbleiterleuchtvor richtungen 3.1, 3.2, 3.3, die rotes, grünes oder blaues Licht emittieren und die in Form einer Dreiecksanordnung auf der Flä che 5 des Pixels 2.2 angeordnet sind, auch diese Ausführung kann mit reflektierender Schicht umgeben sein.

Je nach Anwendungsfall kann die hier vorgestellte Matrix aus Pixeln mit LEDs eines kleinen Formfaktors durch eine lichtfor mende oder auch lichtkonvertierende Struktur ergänzt werden. Figur 12 zeigt eine Draufsicht auf eine solche Ausgestaltung. Bei dieser ist auf der Matrix eine lichtformende Struktur mit Bereichen 33 und 34 ausgestaltet. Die Bereiche 34 sind als Pillars oder Säulen bzw. Löcher in der die Matrix überdeckende transparente Schicht 33 ausgeführt. Die Schicht 33 weist dabei eine gegenüber den Säulen 34 oder Löchern 34 unterschiedlichen Brechungsindex auf. Somit ergibt sich wie in der Draufsicht dargestellt, eine periodische Variation des Brechungsindex in die beiden Raumrichtungen. Diese Weise wird eine photonische Struktur bzw. ein zweidimensionaler photonischer Kristall über der Matrix aus den einzelnen LEDs und Pixeln gebildet. Durch eine entsprechende Wahl der Periodizität kann somit das Licht zumindest einer Wellenlänge geeignet geformt werden.

Des Weiteren zeigt Figur 13 in einer schematischen Ansicht die unterschiedlichen Komponenten einer vorgeschlagenen Projekti onseinheit. Eine derartige Projektionseinheit verfügt über eine optoelektronische Leuchtvorrichtung 1, mit einer Matrix bilden den Pixeln 2.1, 2.2, die einen geringen Füllfaktor aufweisen und jeweils LEDs 3.1, 3.2, 3.3 umfassen, welche Licht unter schiedlicher Farbe, nämlich rotes, grünes und blaues Licht, emittieren. Nach einigen vorgeschlagenen Aspekten ist für jedes Pixel 2.1, 2.2 eine Kollimationsoptik 6.1, 6.2 vorgesehen, die das von den LEDs 3.1, 3.2, 3.3 emittierte Licht kollimiert und in ein bevorzugt virtuelles Zwischenbild 8.1, 8.2 abbildet. Mithilfe einer Projektionsoptik 7 wird das Zwischenbild 8.1, 8.2 der LEDs 3.1, 3.2, 3.3 auf ein im Einzelnen nicht darge stelltes Display, einen Bildschirm oder eine sonstige Darstel lungseinheit, bei der es sich auch um die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs handeln kann, gelenkt, um ein Bild zu er zeugen, das in der gewünschten Größe, Ausrichtung und Beabstan- dung vom Betrachter wahrgenommen werden kann.

Weiterhin zeigt Figur 14 die vorgeschlagene Ortskorrektur, die zu einer Überlagerung der vergrößerten virtuellen Zwischenbil der 8.1, 8.2 der LEDs 3.1, 3.2, 3.3 führt. Mithin ist die Kollimationsoptik 6.1, 6.2 ist derart ausgeführt, dass die Größe der Zwischenbilder 8.1, 8.2 der LEDs 3.1, 3.2, 3.3 im Wesent lichen der Größe des jeweiligen Pixels 2.1, 2.2 entspricht und zusätzlich die unterschiedlichen Positionen und Größen der LEDs

3.1, 3.2, 3.3 für die Überlagerung der Zwischenbilder 8.1, 8.2 weitgehend kompensiert werden. Bevorzugt überlappen sich die Zwischenbilder 30.1, 30.2, 30.3 der LEDs 3.1, 3.2, 3.3 über mindestens 85 % und bevorzugt über mindestens 95 % ihrer Zwi schenbildfläche. Die Zwischenbilder 30.1, 30.2, 30.3 der LEDs

3.1, 3.2, 3.3 können sich auch über mindestens 70 %, 80% oder 90% ihrer Zwischenbildfläche überlappen. Ferner ist bevorzugt, dass die Gesamtfläche der einander überlappenden Zwischenbilder

30.1, 30.2, 30.3 der LEDs 3.1, 3.2, 3.3 des jeweiligen Pixels

2.1, 2.2 mindestens 80 % und bevorzugt mindestens 90 % der Pi xelfläche 5 entspricht. Die Gesamtfläche der einander überlap penden Zwischenbilder 30.1, 30.2, 30.3 der LEDs 3.1, 3.2, 3.3 des jeweiligen Pixels 2.1, 2.2 kann mindestens 70%, 80% oder 90% der Pixelfläche 5 entsprechen.

Die jedem einzelnen Pixel 2.1, 2,2 zugeordnete Kollimationsop tik 6.1, 6.2 kann mithilfe eines holografisch optischen Elemen tes (HOE), eines refraktiven optischen Elements (ROE) oder eines diffraktiven optischen Elements (DOE) bewirkt werden. Hierzu zeigt Figur 15 die jeweils notwendige chromatische Phasenfunk tion 12, 13, 14 der Kollimationsoptik 6.1, 6.2, 6.3 für die drei verschiedenen LEDs 3.1, 3.2, 3.3 des jeweiligen Pixels 2.1, 2.2. Die obere Grafik zeigt hierbei die chromatische Phasenfunktion 12 für die LED 3, die rotes Licht emittiert, die mittlere Grafik zeigt die Phasenfunktion 13 der Kollimationsoptik 6.1, 6.2 für die grünes Licht emittierende LED 3.2 und die untere Grafik die notwendige chromatische Phasenfunktion 14 der Kollimationsoptik 6.1, 6.2 für die blaues Licht emittierende LED 3.3.

In Figur 16 ist eine Ausführungsform dargestellt, für die die Kollimationsoptik 6 mithilfe einer Metalinse 15 realisiert wird. Eine derartige Metalinse 15 kann so ausgeführt werden, dass durch diese entweder ein refraktives optisches Element oder ein diffraktives optisches Element entsteht. Auf vorteilhafte Weise verfügen derartige Metalinsen 15 über wenigstens zwei beab- standet zueinander angeordnete Bereiche, die auf unterschied liche Weise strukturiert worden sind. So ist es beispielsweise denkbar, dass in einem ersten Bereich der Metalinsen eine git terförmige Strukturierung vorgesehen ist, während der zweite Bereich einer derartigen Metalinse 15 eine zirkuläre Struktur aufweist. Von Vorteil ist es, wenn die Metalinse 15 zumindest bereichsweise eine binäre Struktur aufweist und/oder aus einem dielektrischen Material gefertigt ist. ein weiterer Aspekt auf der Figur 16 ergibt sich bei Berücksichtigung, dass die Säulen struktur periodisch oder quasiperiodisch angeordnet sein kann. Dadurch entsteht ein Bereich mit einer periodischen Variation des Brechungsindex.

Figur 17 zeigt die Seitenansicht eines monolithischen Optochips, der die optoelektronische Leuchtvorrichtung 1 für ein erfin dungsgemäß ausgeführtes Projektionsdisplay aufweist. Der Optochip verfügt über ein Siliziumsubstrat 9, auf dem sich die einzelnen Pixel 2 mit den darin vorgesehenen Subpixeln befinden. Um den Optochip mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen, verfügt dieser über einen Leistungsanschluss 11 so wie hierfür geeignete Leiterbahnen. Die Energieversorgung und Ansteuerung der einzelnen lichtemittierenden Pixel 2 erfolgt mithilfe eines CMOS-Arrays 10. Die Lichtzeugung an den Subpixeln wird mithilfe von LEDs realisiert, wobei bevorzugt LEDs verwen det werden, die blaues oder ultraviolettes Licht emittieren, das mit Hilfe geeigneter Konverterelemente bzw. geeignetem Kon vertermaterial in Licht mit der benötigten Farbe umgewandelt wird .

Auf der Oberfläche des Optochips befinden sich Pixel 2, in denen Subpixel 50, die jeweils rotes, grünes und blaues Licht emit tieren, angeordnet sind. Die einzelnen Subpixel 50 bilden hier bei jeweils ein Pixel 2 mit geringem Füllfaktor, sodass die einzelnen lichtemittierenden Flächen innerhalb eines Pixels 2 im Vergleich zu den Flächen, die kein Licht emittieren, nur einen Teil der Fläche des Pixels 2 einnehmen und derart ausrei chend zueinander beabstandet sind, dass ein optisches und elekt risches Übersprechen zwischen den einzelnen Subpixeln 50 und zwischen benachbarten Pixeln 50 zuverlässig verhindert oder zu mindest erheblich minimiert wird.

Den durch jeweils drei Subpixel 50 gebildeten Pixeln 2 ist jeweils eine in Figur 270 nicht im Einzelnen dargestellte Kol limationsoptik zugeordnet, die eine Kollimierung der von den Subpixeln 3 emittierten Strahlung und Ortskorrektur bewirkt. Erfindungsgemäß erzeugt die Kollimationsoptik 6 Zwischenbilder der Subpixel 50, deren Größe der Größe eines Pixels 2 ent spricht. Zusätzlich ist die Kollimationsoptik derart auszufüh ren, dass die unterschiedlichen Positionen und Größen der ein zelnen Subpixel im Zwischenbild kompensiert wird. Neben der in Figur 17 gezeigten Ausführungsform mit einem monolithischen Optochip ist es ebenfalls denkbar, unterschiedliche Chips, die jeweils ein oder eine Mehrzahl von Pixeln oder Subpixeln auf weisen, auf einem gemeinsamen Substrat anzuordnen und elektrisch zu kontaktieren. Bevorzugt werden die Subpixel 50 der Pixel 2 durch LEDs gebildet, die Licht mit der jeweils benötigten Farbe, insbesondere rotes, grünes oder blaues Licht, emittieren. Grund sätzlich ist es hierbei denkbar, LEDs zu verwenden, die direkt Licht mit der gewünschten Farbe emittieren und/oder das von LEDs emittierte Licht, insbesondere blaues Licht, mithilfe geeigne ter Konverterelemente und Konvertermaterialien in Licht mit der benötigten Farbe konvertieren. Weiterhin ist denkbar, die Sub- pixel 50 als Superlumineszenzdioden, VCSEL oder kantenemittie rende Laser auszuführen. Ebenso ist es denkbar, die einzelnen Subpixel 50 durch Endstücke von Lichtwellenleitern, die Licht mit der entsprechenden Farbe leiten, auszuführen.