JP7648548B2 - メタ表面を使用する発光装置及びその発光方法 - Google Patents

メタ表面を使用する発光装置及びその発光方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年６月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／８６２，８５３号及び２０２０年１月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／９６１，３１７号の利益を主張するものであり、これらの各々の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
開示の分野
本開示は、発光方法、装置及びシステム、特に発せられた光を制御するためのメタ表面を使用する発光方法、装置及びシステムに関する。
背景
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、多くの産業において知られており、主に低出力光表示器として広く使用されている。近年、出力又は光度を高めたＬＥＤが開発されており、照明のための光源として使用されている。例えば、エネルギー効率、安全性及び信頼性を向上させたＬＥＤライトは、白熱灯、小型蛍光灯（ＣＦＬ）など、市場に出ている他のタイプのライトに取って代わりつつある。日常の照明は、送電網にかかる負担に大きく寄与し、発電の必要量全体を大幅に増加させるため、ＬＥＤのエネルギー効率は、将来の省エネルギーにおいて重要な役割を果たすことになる。ＬＥＤは、エネルギー効率に優れているため、照明市場を独占するであろう。
高効率ＬＥＤは、懐中電灯、携帯型ライト、ランプ、街路灯などの様々な用途において従来の照明ソリューションに取って代わりつつある。ＬＥＤは、電池、従来の送電網、再生可能エネルギーシステム及びエネルギー貯蔵システム、例えば光起電力（ＰＶ）パネル及び電池バンクなどを用いたシステムなどの種々のタイプの電源によって電力を供給され、それにより照明ソリューションを特定の使用シナリオに適応させるうえで大きい柔軟性を与え得る。
多くの照明ソリューションでは、ＬＥＤ光源などの光源を、指向性光を発する、例えば向上した照明強度を得るために所定の領域に収束ビーム及び焦点を形成し、離れた標的に達するために平行ビームを形成し、及び／又は広い領域を照明するために発散光ビームを形成するなどのように構成することが好ましいことがある。いくつかの照明ソリューションでは、光源の光の方向は、好ましくは、調整可能であり得る。先行技術では、光源は、通常、指向性光を形成するためにミラー又は反射面を使用し、機械的手段は、多くの場合、光の方向を調整するためにミラー又は反射面の向きを変えるために使用される。このような指向性照明手段は、通常、比較的大きいサイズであり、応答性が遅く、効率が低い。
出力及び／又は光度を高めたＬＥＤは、植物などを生育するための光源としても使用されている。ＬＥＤグローライトと呼ばれることがあるそのようなＬＥＤは、正確な波長の光、高強度、高効率などをもたらすなどの種々の利点を提供する。ＬＥＤグローライトは、植物を生育するプロセスを、リスク及び他の不要な屋外変数がはるかに少ない制御された環境で実施することができるため、屋内植物の生育にも有利である。
植物の成長は、「光合成」プロセスの結果として起こる。当技術分野で知られているように、光合成プロセスは、光からのエネルギーを用いて二酸化炭素（ＣＯ２）を有機物質に変換する。具体的には、光エネルギーは、葉緑体と呼ばれる光合成細胞膜に存在する、クロロフィル色素を含有する特殊なタンパク質を通して吸収される。光合成細胞は、主に植物の葉に存在する。
しかしながら、クロロフィルは、光スペクトルの特定の部分又は色からのエネルギーのみを吸収する。有効スペクトルは、青色及び赤色スペクトルにまたがる。光スペクトルの緑色部分が反射されるため、植物の葉は、通常、緑色である。葉の光合成細胞が死んでクロロフィルが分解される場合、葉が茶色のみを示す程度までクロロフィルが分解される間、葉の他の色素分子が光反射に大きい影響を及ぼす。
したがって、クロロフィルの異なる色素が特定の波長の光を吸収して光合成に寄与することが知られており、光合成効率又は速度は、照明のスペクトルと強い相関関係がある。
例えば、青色及び赤色照明下で生育された稲は、赤色照明のみの下で生育されたものよりも高い光合成効率を有する。赤色ＬＥＤ光の下で生育されたエンドウ葉は、青色又は白色ＬＥＤ光の下で生育されたものよりも高レベルのβカロチンを含有する。
光強度は、ストレスの影響を低減するための、高い光強度に対する光合成生物の応答による光合成における別の影響因子である。赤色ＬＥＤ光の下では、小麦幼植物は、クロロフィルを１００μｍｏｌｍ－２ｓ－１において蓄積するが、５００μｍｏｌｍ－２ｓ－１では蓄積しない。
植物は、通常、初期生育中に青色光スペクトルを吸収し、その後、植物が成熟するにつれて及び開花期に赤色光スペクトルを一層吸収することが観察される。一部の植物は、光偏光との相互作用を敏感にする高規則性成分を有することも観察される。例えば、そのような植物は、他の偏光状態の光よりも特定の偏光状態の光をより効率的に吸収又は反射し得る。
加えて、植物は、照明持続期間及び持続時間を感知し、それに応じて植物の生育速度を変化させることが可能である。
一定の又は広く定義された照明構成を用いた植物栽培は、エネルギー効率が良くなく、光合成に最適でもない。先行技術のＬＥＤグローライトは、通常、前述の因子を考慮せずに植物に光を提供するため、生育する植物の生理学的プロセスを最適化するための最適化された照明構成を提供することができない。その上、異なる植物は、最も良好な生育能を達成するために異なる光特性（例えば、強度、スペクトル、偏光、時間など）を必要とする。しかしながら、先行技術のＬＥＤグローライトは、植物の要求に適応することができず、適切な光特性を示すことができない。
例えば、屋内植物の生育のために使用されるＬＥＤパネルなどの従来の照明システムは、通常、植物全体にわたる均一な配光をもたらさない。それらの配光は、多くの場合、中心において最も強く、中心から離れるにつれて次第に減少する強度を有する。
図１Ａは、光源１０から離れた正方形の像面１４に向かって光ビーム１２を発する従来の光源１０を示す。図１Ｂは、像面１４上の光強度分布１６を示す。分かるように、従来の光源１０は、像面１４上に均一な配光をもたらしていない。むしろ、像面１４上の光強度分布１６は、像面１４の中心において最も強く、中心から離れるにつれて徐々に減少している。その上、強度配光１６は、像面１４上の光ビーム１２の入射点に関して対称である。
図２Ａ及び図２Ｂは、光線追跡法を用いて得られた、パネル１０から約３メートル（ｍ）離れた６×６平方メートル（ｍ２）の像面１４内にＬＥＤパネル１０が生成する照明パターンを示す。強度分布が明らかに不均一である。
したがって、植物の周辺に十分な光を与えるかかる光源１０を用いたグローライトにより、植物の中心に過照明が生じ、それにより植物の生育不全が起こるであろう。他方では、植物の中心に十分な照明を与えることで、植物の周辺で非効率的な照明が生じ、同様に植物の生育不全が起こる。このような強度分布は、発光体に対する像面中心の対称性によるものである。
かかる光源１０は、他の用途では望ましくない場合がある。例えば、そのような光源１０を用いた街路灯は、グレア及び全体的に非効率的な照明を生じさせ得る。
ＬＥＤは、迅速な応答での強度、偏光及び／又は時間などの種々の光特性の慎重な制御も必要とする屋内及び屋外のディスプレイにも使用される。
概要
したがって、光特性が制御されたＬＥＤ装置、システム及び方法が常に求められている。
本開示の一態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、光を発するための発光層と、発光層に結合された光変換層であって、１つ又は複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、発光層から発せられた光の１つ又は複数のパラメータを調整するためのメタ表面を含む、光変換層とを含む。
いくつかの実施形態では、発光層は、光を発するための１つ又は複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。
いくつかの実施形態では、光変換層は、発光層上に印刷される。
いくつかの実施形態では、発光層は、１つ又は複数の発光ユニットを含み、光変換層は、１つ又は複数のメタ表面を受け入れるための１つ又は複数の受け部を有するハウジングを含み、及び１つ又は複数の受け部は、１つ又は複数のメタ表面を１つ又は複数の発光ユニットと位置合わせするために、１つ又は複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数の受け部の各々は、発光層から発せられた光を受け入れるための内側開口と、受け入れられた光を通過させるための外側開口とを有する、外方に広がる内面を含み、外側開口は、内側開口の面積よりも大きい面積を有する。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数の受け部の各々の内面は、反射性である。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数の受け部の各々の内面の断面は、放物面形状を有する。
本開示の一態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、光を発するための発光層と、１つ又は複数の光変換ユニットを含む光変換層であって、各光変換ユニットは、メタ表面を含み、少なくとも１つのメタ表面は、所定の偏光状態を有する、発光層から発せられた光を、メタ表面を通して選択的に通過させるために偏光選択性である、光変換層とを含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のメタ表面の各々は、非対称基部形状で配置された複数のナノスケール構造を含む。
いくつかの実施形態では、発光装置は、発光層から発せられた光を偏光させるための、発光層と光変換層との間に挟まれた偏光制御層を更に含む。
いくつかの実施形態では、発光装置は、１つ又は複数の植物の生育を促進するためのグローライトである。
本開示の一態様によれば、１つ又は複数の植物の生育を促進するための発光装置が提供される。発光装置は、光を発するための発光層と、１つ又は複数の光変換ユニットを含む少なくとも１つの光変換層であって、各光変換ユニットは、１つ又は複数の植物の照明構成を最適化するために、発光層から発せられた光の１つ又は複数のパラメータを調整するためのメタ表面を含む、少なくとも１つの光変換層とを含む。
本開示の一態様によれば、表示装置が提供される。表示装置は、光を発するための発光層と、１つ又は複数の光変換ユニットを含む少なくとも１つの光変換層であって、各光変換ユニットは、１つ又は複数の画像を表示するために、発光層から発せられた光の１つ又は複数のパラメータを調整するためのメタ表面を含む、少なくとも１つの光変換層とを含む。
本開示の一態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、光を発するための発光層と、発光層から発せられた光を偏光させるための、発光層に結合された偏光制御層と、偏光制御層に結合された少なくとも１つの光変換層であって、１つ又は複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、少なくとも１つのメタ表面を含み、少なくとも１つのメタ表面は、異なる照明パターン又は画像間で切り替えるために、偏光制御層からの偏光された光を、メタ表面を通して選択的に通過させるために偏光選択性である、少なくとも１つの光変換層とを含む。
本開示の一態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、光を発するための発光層と、発光層から発せられた光を偏光させるための、発光層に結合された偏光制御層と、偏光制御層に結合された少なくとも１つの光変換層であって、１つ又は複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、少なくとも１つのメタ表面を含み、少なくとも１つのメタ表面は、複数の異なる照明パターン又は画像を異なる位置に作成するために、偏光制御層からの偏光された光を、メタ表面を通して選択的に通過させるために偏光選択性である、少なくとも１つの光変換層とを含む。
本開示の一態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、放射源視野（ＦＯＶ）に向かって光を発するための発光層と、発光層から発せられた光を、放射源ＦＯＶの角度広がりよりも小さい角度広がりを有する第１のＦＯＶに向かって導くための、発光層の前側における少なくとも１つのメタ表面層とを含む。
いくつかの実施形態では、発光装置は、発光層と少なくとも１つの光変換層との間に挟まれた偏光制御層を更に含み、偏光制御層は、制御信号に応答して、発光層から発せられた光を第１の偏光状態又は第２の偏光状態に偏光させるように構成され、少なくとも１つの光変換層は、第１の偏光状態における、偏光制御層からの光を、放射源ＦＯＶの角度広がりよりも小さい角度広がりを有する第１のＦＯＶに向かって導き、及び第２の偏光状態における、偏光制御層からの光を、第１のＦＯＶの角度広がりよりも大きい角度広がりを有する第２のＦＯＶに向かって導くように構成される。
本開示の一態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、光を発するための発光層と、発光層の前側における光変換層であって、複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、所定の配光パターンを形成するために、発光層から発せられた光を標的領域に向かって導くためのメタ表面を含む、光変換層とを含む。
いくつかの実施形態では、所定の配光パターンは、標的領域上の実質的に均一な光エネルギー分布である。
いくつかの実施形態では、複数のメタ表面は、発光層から発せられた光を標的領域の境界に向かって導くためのメタ表面の第１のセットと、実質的に均一な光エネルギー分布を標的領域上に生成するために、発光層から発せられた光を標的領域の中心に向かって導くためのメタ表面の第２のセットとを含む。
本開示の一態様によれば、太陽エネルギー収集装置が提供される。太陽エネルギー収集装置は、複数の光起電力セルを有する光起電力層と、光起電力層において反射を生じさせることなく、実質的に光起電力層に光を導くための、光起電力層の前側における少なくとも１つのメタ表面層とを含む。
いくつかの実施形態では、太陽エネルギー収集装置は、光起電力層に垂直に衝突するように、所定の範囲内の入射角で光を導くための複数のメタ表面層を含む。
本開示の一態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、光を発するための発光層と、第１の偏光状態における、発光層から発せられた光を第１のＦＯＶに向かって導き、及び第２の偏光状態における、発光層から発せられた光を第２のＦＯＶに向かって導くための、発光層の前側における少なくとも１つのメタ表面層とを含み、第１のＦＯＶ及び第２のＦＯＶは、異なる偏光状態のレンズを有する眼鏡を掛けたユーザに対して３次元（３Ｄ）知覚を形成するために重ね合わされ、及び互いに横方向にずらされる。
本開示の一態様によれば、発光装置が提供される。発光装置は、光を発するための発光層と、第１の偏光状態における、発光層から発せられた光を第１のＦＯＶに向かって導き、及び第２の偏光状態における、発光層から発せられた光を第２のＦＯＶに向かって導くための、発光層の前側における少なくとも１つのメタ表面層とを含み、第１のＦＯＶ及び第２のＦＯＶは、ユーザに対して３Ｄ知覚を形成するために、第１のＦＯＶが所定の距離においてユーザの第１の眼でのみ視認可能であり、及び第２のＦＯＶが所定の距離においてユーザの第２の眼でのみ視認可能であるように互いに横方向にずらされる。
図面の簡単な説明
光源から離れた正方形の像面に向かって光ビームを発する先行技術の光源を示す概略図である。 図１Ａに示す先行技術の光源から発せられた光の像面上の光強度分布を示す。 光源から離れた正方形の像面に向かって光ビームを発する先行技術の発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す概略図である。 光線追跡法を用いて得られた、先行技術のＬＥＤパネルから発せられた光の像面上の照明パターンを示す。 本開示のいくつかの実施形態による、ＬＥＤ発光層と、１つ又は複数のメタ表面を有する光変換層とを含む発光装置の構造を示す概略図である。 図３に示す発光装置の概略分解図である。 図３に示す発光装置の光変換層の光変換ユニットを示す。 図５に示す光変換ユニットを形成するためのメタ表面の構造の例を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、ＬＥＤ発光層と、偏光制御層と、メタ表面光変換層とを含む発光装置の概略分解図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図７に示す光装置の偏光制御層のピクセルを示す概略図である。 図８Ａに示す偏光制御層のピクセルに対応する、図７に示す光装置の光変換層のピクセルを示す概略図である。 本開示の更にいくつかの実施形態による、図７に示す光装置の偏光制御層のピクセルを示す概略図である。 図９Ａに示す偏光制御層のピクセルに対応する、図７に示す光装置の光変換層のピクセルを示す概略図である。 本開示の更にいくつかの実施形態による、図７に示す光装置の偏光制御層のピクセルを示す概略図である。 図１０Ａに示す偏光制御層のピクセルに対応する、図７に示す光装置の光変換層のピクセルを示す概略図である。 図８Ａ及び図８Ｂ又は図９Ａ及び図９Ｂに示す実施形態による、２方向に２つの画像を表示する図７に示す光装置を示す概略図である。 図８Ａ及び図８Ｂ又は図９Ａ及び図９Ｂに示す実施形態による、２方向に２つの画像を表示する図７に示す光装置を示す概略図である。 図８Ａ及び図８Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂ又は図１０Ａ及び図１０Ｂに示す実施形態による、２方向に２つの画像を表示する図７に示す光装置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、複数の光ファイバケーブルを有する発光装置の概略分解図である。 図３に示す発光装置の光変換層の印刷を示す概念図である。 本開示のいくつかの実施形態による、植物の生育を促進するための照明システムの概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、植物の生育を監視するためのセンサを含む、植物の生育を促進するための照明システムの概略図である。 図３に示す発光装置に組み込まれた太陽電池セル層の構造を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、照明パターンが制御された照明源又は光源として使用される照明システムの構造を示す概略図である。 照明パターンを生成するために、図１８に示す照明システムによって使用されるコスト関数を形成する例を図示する。 勾配降下法を用いてコスト関数の大域（又は近大域）最小値を見つけるために、図１８に示す照明システムの処理構造によって実行されるプロセスのステップを示すフローチャートである。 照明パターンを生成するための図２０に示すプロセスの最適化結果を示す。 照明パターンを生成するための図２０に示すプロセスの最適化結果を示す。 照明パターンを生成するための図２０に示すプロセスの最適化結果を示す。 照明パターンを生成するための図２０に示すプロセスの最適化結果を示す。 照明パターンを生成するための図２０に示すプロセスの最適化結果を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、照明パターンが制御された照明源又は光源として使用される照明システムの構造を示す概略図である。 像面内に強度分布の境界を生成するための分割メタ表面を示す概略図である。 光エネルギーが実質的に標的領域の垂直境界に沿って集中した、図２７Ａに示す垂直分割メタ表面によって生成された像面内の照明パターンを示す。 光エネルギーが実質的に標的領域の水平境界に沿って集中した、図２７Ａに示す水平分割メタ表面によって生成された像面内の照明パターンを示す。 図２７Ａに示す水平分割メタ表面及び垂直分割メタ表面を用いて実質的に標的領域の水平境界及び垂直境界に沿って集中した配光の概念図を示す。 実質的に像面の中心に集中した配光を生成するための収束メタ表面を示す概略図である。 図２９Ａに示す収束メタ表面によって生成された像面内の照明パターンを示す。 図２７Ａに示す分割メタ表面と、図２９Ａに示す収束メタ表面とによって生成された像面上の実質的に均一な配光の概念図を示す。 異なる距離だけ離れた像面上の実質的に均一な配光を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、メタ表面のアレイを用いたトポセントリックベクトル制御パネル（ＴＶＣＰ）の例示的な実装態様を示し、ＴＶＣＰは、発光層に結合されたメタ表面ハウジングを含み、メタ表面ハウジングは、複数のメタ表面ユニットを内部に受け入れる複数の受け部を含む。 図３２に示すＴＶＣＰの発光層に結合されたメタ表面ハウジングを示す写真である。 特定の偏光状態で植物を照明するための非対称基部形状を有するメタ表面のナノスケール構造を示す。 先行技術の光起電力セルの表面で発生した光反射を示す概略図である。 光起電力パネルの表面での光反射を低減するために光起電力パネルの前側にメタ表面ベースのトポセントリックベクトル制御パネル（ＴＶＣＰ）を有する太陽光パネル装置を示す概略図である。 光起電力パネルを小型化するために光起電力パネルの前側にメタ表面ベースのＴＶＣＰを有する太陽光パネル装置を示す概略図である。 図３７に示す太陽光パネル装置との比較のための、ＴＶＣＰのない光起電力パネルを有する先行技術の太陽光パネル装置を示す概略図である。 広い角度広がりを有する視野（ＦＯＶ）を有する先行技術のディスプレイを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、メタ表面を用いた超指向性スクリーン又はディスプレイを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、可変視野（ＶＦＯＶ）スクリーン又はディスプレイを示す概略図である。 本開示のいくつかの他の実施形態による、ＶＦＯＶスクリーン又はディスプレイを示す概略図である。 第１の画像が、広い角度広がりを有する第１のＦＯＶ内に表示され、及び第１のＦＯＶ内にのみ位置するユーザに第２の画像が見えないように、第２の画像が、狭い角度広がりを有する第２のＦＯＶ内に表示される、２つの画像を同時に表示するために、図４２に示すＶＦＯＶスクリーンを用いる例を示す。 第１の画像が、広い角度広がりを有する第１のＦＯＶ内に表示され、及び第１のＦＯＶ内にのみ位置するユーザに第２の画像が見えないように、第２の画像が、狭い角度広がりを有する第２のＦＯＶ内に表示される、２つの画像を同時に表示するために、図４２に示すＶＦＯＶスクリーンを用いる例を示す。 第１の画像が、広い角度広がりを有する第１のＦＯＶ内に表示され、及び第１のＦＯＶ内にのみ位置するユーザに第２の画像が見えないように、第２の画像が、狭い角度広がりを有する第２のＦＯＶ内に表示される、２つの画像を同時に表示するために、図４２に示すＶＦＯＶスクリーンを用いる例を示す。 第１の画像が、広い角度広がりを有する第１のＦＯＶ内に表示され、及び第１のＦＯＶ内にのみ位置するユーザに第２の画像が見えないように、第２の画像が、狭い角度広がりを有する第２のＦＯＶ内に表示される、２つの画像を同時に表示するために、図４２に示すＶＦＯＶスクリーンを用いる例を示す。 第１の画像が、広い角度広がりを有する第１のＦＯＶ内に表示され、及び第１のＦＯＶ内にのみ位置するユーザに第２の画像が見えないように、第２の画像が、狭い角度広がりを有する第２のＦＯＶ内に表示される、２つの画像を同時に表示するために、図４２に示すＶＦＯＶスクリーンを用いる例を示す。 第１の画像が、広い角度広がりを有する第１のＦＯＶ内に表示され、及び第１のＦＯＶ内にのみ位置するユーザに第２の画像が見えないように、第２の画像が、狭い角度広がりを有する第２のＦＯＶ内に表示される、２つの画像を同時に表示するために、図４２に示すＶＦＯＶスクリーンを用いる例を示す。 第１の画像が、広い角度広がりを有する第１のＦＯＶ内に表示され、及び第１のＦＯＶ内にのみ位置するユーザに第２の画像が見えないように、第２の画像が、狭い角度広がりを有する第２のＦＯＶ内に表示される、２つの画像を同時に表示するために、図４２に示すＶＦＯＶスクリーンを用いる例を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、偏光レンズを有する眼鏡を掛けて視認可能である、メタ表面を用いた３次元（３Ｄ）ディスプレイを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、偏光レンズを有する眼鏡なしで視認可能である、メタ表面を用いた３Ｄディスプレイを示す概略図である。 光反射の問題を有する先行技術の太陽光パネルを示す概略図である。 光反射の問題を有する先行技術の太陽光パネルを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、光反射の問題を軽減又は除去するためのメタ表面を用いた太陽光パネルを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、光反射の問題を軽減又は除去するためのメタ表面を用いた太陽光パネルを示す概略図である。
詳細な説明
発光層と光変換層とを有する発光装置
ここで、図３及び図４に移ると、発光装置（「照明装置」又は「光装置」とも呼ばれる）が示されており、本開示のいくつかの実施形態によれば、概して参照番号１００を用いて特定される。本明細書では、発光装置は、照明のための装置、植物の生育を促進するための装置又は装置上に画像若しくは映像を表示するための装置であり得る。
これらの実施形態における発光装置１００は、発光層１０４から光変換層１０６を通して光１０８を発するための、基板１０２と光変換層１０６との間に挟まれた発光層１０４を含む。発せられた光１０８が光変換層１０６を通り抜けるとき、光変換層１０６は、振幅又は強度、位相、偏光、パターン、方向など、光１０８の１つ又は複数のパラメータを調整する。
発光層１０４は、任意の好適な照明デバイスであり得る。これらの実施形態では、発光層１０４は、基板１０２に印刷されるか、コーティングされるか又は他に結合され、ＬＥＤ１１０の他の配置も容易に利用できるが、マトリクス状に配置された複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１１０を含む。本明細書では、ＬＥＤ１１０は、従来のＬＥＤ、量子ドット（ＱＤ）ＬＥＤ及び／又は有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）などの任意の好適なＬＥＤであり得る。
光変換層１０６は、発光層１０４から発せられた光のパラメータを調整するか又は他に変換する（後により詳細に説明する）ために、発光層１０４に印刷されるか、コーティングされるか又は他に結合される。
光変換層１０６は、各光変換ユニット１２２がメタ表面を含む、所定のパターンで配置された１つ又は複数の光変換ユニット１２２を含む。本明細書では、メタ表面は、サブ波長間隔を有するナノ構造の２次元アレイであり、及び電磁波を変調するために使用され得る。メタ表面の詳細は、Nanfang Yu, Patrice Genevet, Mikhail A. Kats, Francesco Aieta, Jean-Philippe Tetienne, Federico Capasso, and Zeno Gaburro, Science volume 334, issue 6054, pages 333-337 (2011)による「LIGHT PROPAGATION WITH PHASE DISCONTINUITIES: GENERALIZED LAWS OF REFLECTION AND REFRACTION」という名称の学術論文において説明されている。
図５及び図６に示すように、各メタ表面ユニット１２２は、サブ波長の厚さ（すなわち、サブ波長の厚さは、発光層１０４から発せられた光の波長よりも薄い）を有するメタ表面を含み、入射光の（例えば、振幅又は強度、位相、偏光、パターン、方向などの）特性又はパラメータを正確に調整又は変換するための特定の順序で周期的に配置された複数のナノスケール構造１２４を含み、それにより、そこから出力される光の特性の正確な制御を可能にする。
いくつかの実施形態では、ナノスケール構造１２４（「ナノ構造」とも呼ばれる）は、発光層１０４から発せられた光の波長よりも小さい１つ又は複数の寸法を有する好適な金属材料又は誘電材料で作られたサブ波長構造であり得る。いくつかの実施形態では、ナノスケール構造１２４は、複数のナノロッド（「アンテナ」とも呼ばれ、図６を参照されたい）を含み得る。いくつかの実施形態では、ナノスケール構造１２４は、複数のＶ字状ナノロッドを含み得る。上記で説明したように、ナノスケール構造１２４は、周期的又は繰り返しパターンを形成し、各パターンは、異なる形状及び寸法の複数のナノスケール構造１２４を含み得る。
ナノ構造１２４の形状及び分布に応じて、光変換層１０６は、入射光の１つ又は複数のパラメータを調整又は変換するように構成され得る。
例えば、図４に示すように、光変換層１０６のメタ表面ユニット１２２Ａは、入射光１０８Ａを位相変換し、収束するように入射光１０８Ａの方向を修正し、それにより、光変換層１０６から間隔をおいて配置された所望の点で合焦する収束光ビームを形成するように構成され得る。
別の例として、光変換層１０６のメタ表面ユニット１２２Ｂは、入射光１０８Ｂを位相変換し、平行にされるように入射光１０８Ｂの方向を修正し、それにより、離れた標的に達するように平行光ビームを形成するように構成され得る。
更なる例として、光変換層１０６のメタ表面ユニット１２２Ｃは、入射光１０８Ｃを位相変換し、発散するように入射光１０８Ｃの方向を修正し、それにより、広い領域を照明するために発散光ビームを形成するように構成され得る。
従来のグローライト用途では、１つ又は複数の照明デバイス（グローライトデバイスとも呼ばれる）は、植物に向かって光を発して植物の生育を促進するために使用される。これらの用途では、グローライトデバイスの周辺領域から発せられた光など、グローライトデバイスから発せられた光の一部は、光ビームの発散性に起因して植物に部分的にのみ衝突し、それにより、光エネルギーが浪費され得る。かかる問題は、植物が互いに間隔をおいて配置される場合、より深刻であり得る。
いくつかの実施形態では、発光装置１００は、上記の問題のない又は上記の問題を少なくとも軽減するグローライトデバイスとして使用され得る。これらの実施形態では、光変換層１０６又はその少なくともいくつかのメタ表面ユニット１２２は、植物に向かう入射光１０８の方向を修正するように設計され得る。例えば、光変換層１０６は、発光層１０４の周辺領域から発せられた光を植物に向けるように調整する一方、植物のより多くの領域をカバーするように発光層１０４の中心領域から発せられた光をより発散させ、それにより著しく効率的な照明を生じさせるように設計され得る。
いくつかの実施形態では、光変換層１０６又はその少なくともいくつかのメタ表面ユニット１２２は、植物の照明構成を最適化して、生育要求に適応するように、発光層１０４から発せられた光のパラメータを調整するように設計され得る。
いくつかの実施形態では、光変換層１０６又はその少なくともいくつかのメタ表面ユニット１２２は、発光層１０４から発せられた光を所望の方向に向けるように調整して、高集光又は低集光領域を形成し、それにより標的照明領域に高温又は低温スポットを作り出すように設計され得る。そのような高温又は低温スポットは、植物の損傷領域を治療するために又は植物の脆弱な部分を照明するために作り出され得る。
図７は、本開示のいくつかの実施形態による発光装置２００の概略分解図である。これらの実施形態では、発光装置２００が、発光層１０４と光変換層１０６との間に挟まれた偏光制御層２０２を更に含むことを除いて、発光装置２００は、図３及び図４に示す実施形態における発光装置１００と同様である。
その上、これらの実施形態では、光変換層１０６は、偏光選択性であり得る。特に、各メタ表面ユニット１２２は、特定の偏光を選択し得、すなわち特定の偏光状態の光のみがメタ表面ユニット１２２を通過することを可能にし、他の偏光状態の光を遮断する。光変換層１０６の異なるメタ表面ユニット１２２は、実装態様に応じて、同じ又は異なる偏光選択設定を有し得る。
偏光制御層２０２は、入射光が偏光制御層２０２を通して進むときに入射光を偏光させる（図７に円矢印２０４及び２０６で表す）好適な材料で作られる。いくつかの実施形態では、偏光制御層２０２は、単一の偏光制御ユニットを形成して、入射光を所定の偏光状態に偏光させ得る。
いくつかの他の実施形態では、偏光制御層２０２は、単一の偏光制御ユニットを形成し、電圧制御された位相差を有する液晶を含み得る。したがって、偏光制御層２０２の偏光は、偏光制御層２０２に印加される電圧を調整することによって制御され得る。
更にいくつかの他の実施形態では、偏光制御層２０２は、光変換層１０６の複数のメタ表面ユニット１２２に対応する複数の偏光制御ユニット（図示せず）を含み得る。少なくともいくつかの偏光制御ユニットは、液晶で作られ得、その偏光は、偏光制御ユニットに印加される電圧を調整することによって制御可能である。
したがって、光変換層１０６は、異なる偏光状態の光に対して選択的な応答を示す。いくつかの実施形態では、発光装置２００は、光源（例えば、発光層１０２）を調整する必要なしに、異なる画像の表示を迅速に切り替え得るディスプレイとして使用され得る。切り替え表示又は照明パターンは、自動的なパターン切り替えのために、光変換層１０６の偏光パターン及び／又は電圧パターンに符号化され得る。
例えば、いくつかの実施形態では、発光装置２００は、ディスプレイとして使用され得、偏光制御層２０２及びその光変換層１０６は、各ピクセルが１つ又は複数のサブピクセルを含む、対応するピクセル２３２及び２３４（図８Ａ～図１０Ｂを参照されたい）をそれぞれ形成する複数のユニットをそれぞれ含み得る。
図８Ａ及び図８Ｂに示す一実施形態では、偏光制御層２０２の各ピクセル２３２は、複数のサブピクセル（例えば、２つのサブピクセル２４２Ａ及び２４２Ｂ）を含む。したがって、偏光制御層２０２は、各セットが各ピクセル２３２のそれぞれのサブピクセル２４２Ａ又は２４２Ｂを含む、複数のサブピクセルセット（同様に参照番号２４２Ａ及び２４２Ｂを用いて特定される）を含む。各サブピクセルセットは、特定の偏光設定に合わせて構成される（図８Ａを参照されたい）。
図８Ｂに示すように、光変換層１０６の各ピクセル２３４は、（符号２４６で示す）２つの偏光選択及び位相変換設定を切り替えるように制御される（同様に参照番号２３４を用いて表す）１つのメタ表面サブピクセルを有する。
動作中、発光層１０４は、光（図示せず）を発する。好適な偏光設定では、偏光制御層２０２の各サブピクセルセットは、発光層１０４から発せられた光を調整して、異なる偏光状態の２つの光ビーム（図示せず）を形成する。２つの光ビームは、重ね合わされて、光変換層１０６に入射する。
光変換層１０６のメタ表面サブピクセル２３４は、第１のサブピクセルセット２４２Ａからの光ビームがメタ表面サブピクセル２３４を通過することを可能にするのに好適な第１の偏光選択設定と、第２のサブピクセルセット２４２Ｂからの光ビームがメタ表面サブピクセル２３４を通過することを可能にするのに好適な第２の偏光選択設定とを有する２つの偏光選択及び位相変換設定２４６を切り替えるように制御される。結果として、発光装置２００は、２方向に２つの画像２２２及び２２４（図１１Ａ及び図１１Ｂを参照されたい）を交互に表示する。位相変換設定に応じて、２方向は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように２つの異なる方向であり得るか、又は同じ方向であり得る。
光変換層１０６の偏光選択及び位相変換設定の切り替え（リフレッシュレートとも呼ばれる）は、第１の画像２２２を第１の位置に数秒間表示し、次いで第２の画像２２４を第２の位置に更に数秒間表示する（図１１Ａ及び図１１Ｂ）など、明確に２つの画像２２２及び２２４を交互に表示するように、緩やかな速度又は低頻度での切り替えであり得る。代替的に、光変換層１０６のリフレッシュレートは、２つの画像２２２及び２２４が２つの位置において人間の眼に効果的に同時に表示されるように、高周波（例えば、毎秒６０フレーム以上）であり得る（図１２を参照されたい）。
図９Ａ及び図９Ｂに示すような一実施形態では、偏光制御層２０２の各ピクセル２３２は、（図９Ａを参照されたく、符号２４８で示す）２つの偏光設定を切り替えるように制御される（同様に参照番号２３２を用いて表す）１つのメタ表面サブピクセルを有する。
図９Ｂに示すように、光変換層１０６の各ピクセル２３４は、複数のサブピクセル（例えば、２つのサブピクセル２４４Ａ及び２４４Ｂ）を含む。したがって、光変換層１０６は、各セットが各ピクセル２３４のそれぞれのサブピクセル２４４Ａ又は２４４Ｂを含む、複数のサブピクセルセット（同様に参照番号２４４Ａ及び２４４Ｂを用いて特定される）を含む。各サブピクセルセットは、特定の偏光選択及び位相変換設定に合わせて構成される。
動作中、発光層１０４は、光（図示せず）を発する。偏光制御層２０２は、光変換層１０６の第１のサブピクセルセット２４４Ａを通過するか、又は光変換層１０６の第２のサブピクセルセット２４４Ｂを通過するように、発光層１０４から発せられた光を調整して、偏光状態が切り替わる光ビーム（図示せず）を形成する。光変換層１０６のリフレッシュレートに応じて、発光装置２００は、人間の眼に対して明確に又は効果的に同時に２つの画像２２２及び２２４を２つの位置に交互に表示し得る（図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１２を参照されたい）。
図１０Ａ及び図１０Ｂに示す一実施形態では、偏光制御層２０２の各ピクセル２３２は、複数のサブピクセル（例えば、２つのサブピクセル２４２Ａ及び２４２Ｂ）を含む。したがって、偏光制御層２０２は、各セットが各ピクセル２３２のそれぞれのサブピクセル２４２Ａ又は２４２Ｂを含む、複数のサブピクセルセット（同様に参照番号２４２Ａ及び２４２Ｂを用いて特定される）を含む。各サブピクセルセットは、特定の偏光設定に合わせて構成される（図１０Ａを参照されたい）。
それに対応して、図１０Ｂに示すように、光変換層１０６の各ピクセル２３４は、複数のサブピクセル（例えば、２つのサブピクセル２４４Ａ及び２４４Ｂ）を含む。したがって、光変換層１０６は、各セットが各ピクセル２３４のそれぞれのサブピクセル２４４Ａ又は２４４Ｂを含む、複数のサブピクセルセット（同様に参照番号２４４Ａ及び２４４Ｂを用いて特定される）を含む。各サブピクセルセットは、特定の偏光選択及び位相変換設定に合わせて構成される。各サブピクセルセット２４４Ａ又は２４４Ｂの偏光選択設定は、各サブピクセルセット２４２Ａ又は２４２Ｂの偏光設定と一致する（すなわち対応するサブピクセル２４２Ａ又は２４２Ｂからの光が通過することを可能にする）。
動作中、発光層１０４は、光（図示せず）を発する。偏光制御層２０２の各サブピクセルセット２４２Ａ又は２４２Ｂは、発光層１０４から発せられた光を調整して、異なる偏光状態の２つの光ビーム（図示せず）を形成する。２つの光ビームは、重ね合わされて、光変換層１０６に入射する。偏光制御層２０２からの各光ビームは、光変換層１０６の対応するサブピクセルセット２４４Ａ又は２４４Ｂを通過し、それにより２方向に２つの画像２２２及び２２４を同時に形成する（図１２を参照されたい）。
いくつかの実施形態では、発光装置２００は、異なる照明パターンを迅速に切り替え得る照明デバイスとして使用され得る。その上、発光装置２００は、光偏光に敏感な高規則性成分を有する植物に適応する、カスタマイズされた偏光パターンを有するグローライトデバイスとして使用され得る。例えば、一部の植物は、特定の偏光状態の光を他の偏光状態の光よりも著しく効率的に吸収又は反射し得る。したがって、発光装置２００は、植物の光合成プロセスを最適化するために植物の要求に適応する、カスタマイズされた偏光パターンを有するグローライトデバイスとして使用され得る。種々の実施形態における照明デバイス２００の構造は、図８Ａ～図１０Ｂに示すものと同様であり得る。
光変換層１０６にメタ表面を用いることにより、本明細書に開示する照明デバイスは、光エネルギーを光ファイバケーブルに効率的に結合し得る。例えば、図１３は、本開示のいくつかの実施形態による発光装置３００の概略分解図である。これらの実施形態では、発光装置３００は、図３及び図４に示す実施形態における発光装置１００と同様であり、それぞれのメタ表面ユニット１２２に隣接する複数の光ファイバケーブル３０２を更に含む。各メタ表面ユニット１２２は、対応する光ファイバケーブル３０２に入射する収束光ビームを形成するように構成される。そのような照明デバイス３００は、効率的な屋内照明、局所的に最適化された植物の照明及び標的領域全体にわたる効率的な光エネルギー分布などの種々の用途で使用され得る。
図１３に示す実施形態では、発光装置３００は、発光装置１００と同様である（すなわち３つの層１０２、１０４及び１０６を有する）が、いくつかの実施形態では、発光装置３００は、発光装置２００と同様であり得る（すなわち４つの層１０２、１０４、２０２及び１０６を有する）。
上記の実施形態では、照明デバイス１００、２００又は３００は、１つの光変換層１０６のみを含む。いくつかの実施形態では、照明デバイスは、複数の光変換層１０６を含み得る。いくつかの実施形態では、複数の光変換層１０６の少なくともいくつかは、偏光選択性であり得、異なる光変換層１０６は、実装態様に応じて、同じ又は異なる偏光選択設定を有し得る。
上記で説明したように、光変換層１０６などの発光装置１００の種々の層は、任意の好適な印刷技術を用いて基板１０２に又は互いの上に印刷され得る。
例えば、図１４は、いくつかの実施形態における光変換層１０６、発光層１０４などのいくつかの層の印刷を示す概念図である。
図示のように、（発光層１０４が基板１０２上に印刷又は他に結合された）基板１０２は、プラットフォーム３４２の平坦な表面上に配置される。スロットダイヘッド３４４を備えた印刷デバイス（図示せず）は、副層／層を印刷するために使用される。スロットダイヘッド３４４は、それぞれの「インク」で満たされたインクカートリッジ３４６を含み、メタ表面材料をインクカートリッジ３４６から基板１０２（又は発光層１０４）に堆積させて、１つ又は複数のメタ表面光変換ユニット１２２を形成するために基板１０２（又は特に印刷された発光層１０４）上を移動する（矢印３４８で示す）。
本明細書では、「インク」は、層の作製のための前駆体として使用される溶液、ゲル又は粉末などの好適な形態の副層／層材料を指す。各層のスロットダイ作製中、熱処理は、通常、溶媒を蒸発させるか、又は粉末を溶融させて作製した層を固化させるために使用される。
図１５は、本開示のいくつかの実施形態による、１つ又は複数の植物４１０の生育を促進するための照明システム４００の概略図である。図示のように、システム４００は、制御回路４０４に電力を供給する電源４０２と、上記で説明した発光装置１００、２００又は３００のいずれかであり得る発光装置４０６とを含む。制御回路４０４は、植物４１０を照明して植物４１０の生育を促進するために、カスタマイズパラメータを有する光４０８を発するように発光装置４０６を制御する。
図１６は、本開示のいくつかの実施形態による、植物の生育を促進するための照明システム５００の概略図である。これらの実施形態における照明システム５００は、図１４に示す照明システム４００と同様であり、植物４１０から反射される光４１４を監視するための光センサなど、植物４１０の生育を監視するためのセンサ４１２を更に含み、及び照明構成を最適化して植物４１０の生育をより良好に促進するために、上記で説明したように光パラメータを調整するための制御回路４０４にフィードバックを与える。
いくつかの実施形態では、発光層１０４は、透明なＬＥＤ層であり得、及び発光装置１００、２００又は３００は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための１つ又は複数の光起電力セル（「太陽電池セル」とも呼ばれる）を有する、発光層１０４の「裏側」（すなわち基板１０２と発光層１０４との間）における太陽電池セル層と、太陽電池セル層の裏側における電力変換層とを更に含み得る。太陽電池セル層及び電力変換層の詳細は、本出願人の同時係属中の「HYBRID-ENERGY APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD THEREFOR」という名称の米国仮特許出願第６２／８３１，８２８号において説明されており、その内容は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。
例えば、図１７は、複数の副層を含む太陽電池セル層５４０の例を示す。図示のように、この例における太陽電池セル層５００は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの好適な材料で作られたアノード副層５４２と、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の副層５４４と、ポリ（エチレンイミン）及びエトキシル化ポリ（エチレンイミン）（すなわちＰＥＩＥ）の副層５４６と、バルクヘテロ接合（ＢＨＪ）の副層などのポリマー太陽電池セルの副層などの有機太陽電池セルの副層５４８と、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）の副層５５０と、銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）などの好適な材料で作られたカソード副層５５２とを含む。アノード５４２及びカソード５５２は、電力変換器層などの他の層に電気的に接続される。
照明パターンが制御された照明システム
図１８は、メタ表面又は他の光制御構造を用いた光偏向角の正確な制御により、照明パターンが制御された照明源又は光源として使用される、いくつかの実施形態における発光装置６００を示す。照明システム６００からの照明は、特定のパターンに従って像面６１２上に分配され、この像面６１２内に１つ又は複数の植物などの１つ又は複数の物体が位置する。
注釈を容易にするために、軸ｘ及びｙは、像面６１２を定める直交軸を表し、ｚ軸は、制御可能な照明構造１００と像面６１２とに沿った軸であるとともに、軸ｘ及びｙに直交し（すなわち像面６１２に直交し）、ｙ偏向角θは、ｙ軸と像面６１２上の光ビーム６１０の投射との間の角度であり、ｚ偏向角φは、ｚ軸とｘｚ平面上の光ビーム６１０の投射との間の角度である。
発光装置６００は、図４に示す発光装置１００と同様であり、１つ又は複数のＬＥＤ（図示せず）を有する発光層１０４と、発光層１０４の前側における、これらの実施形態ではトポセントリックベクトル制御パネル（ＴＶＣＰ）層などの光変換層１０６とを含む。図１８には示されていないが、発光装置６００は、発光層１０４を支持するための（図４に示す発光装置１００と同様の）基板１０２も含み得る。
発光層１０４は、光源としてＬＥＤのアレイを含み、ＴＶＣＰ１０６を通過して像面６１２に向かう複数の光ビーム６１０を発する。
ＴＶＣＰ１０６は、各光変換ユニット１２２がメタ表面を含む、所定のパターンで配置された１つ又は複数の光変換ユニット１２２（これらの実施形態では「レンズ」とも呼ばれ、図１８には図示せず）を含む。ＴＶＣＰ１０６の各光変換ユニット１２２は、光ビーム６１０の偏向角θ及びφを制御して、像面６１２内の光円錐６１０の方位角、仰角及び角度を調整することにより、光変換ユニット１２２を通過する光ビーム６１０の方向を制御する。
ＴＶＣＰ１０６は、さもなければ像面６１２上に存在する配光の対称性を効果的に失わせる（図２を参照されたい）。その上、偏向角θ及びφの僅かな変化により、像面６１２上の光強度分布に有意な変化が生じるであろう。したがって、慎重に構成されたＴＶＣＰ１０６を用いて、照明システム６００は、像面６１２上に分布した複数の所定の入射点に向かって発光層１０４からＴＶＣＰ１０６を通して発せられた複数の光ビームを用いて、必要に応じて像面６１２上の標的照明領域内のほぼ全ての光強度分布を生成し得る。
照明パターン（例えば、標的照明領域の大きさ及び形状並びに標的照明領域内の光強度分布）並びに光源（例えば、ＬＥＤ）の数は、全ての入射点が標的照明領域内に位置しなければならないという制約下において、好適なコスト関数を最適化する好適な最適化方法を用いて算出され得る所定の入射点の位置を決定する。
例えば、均一に分布した（又はより正確にはほぼ均一に分布した）光強度分布を得るために、光強度分布の正規化平均二乗誤差（ＮＭＳＥ）
Figure 0007648548000001
 は、コスト関数として使用され得、ここで、μは、像面６１２上の光強度の平均値であり、Ｉ（ｘｉ）は、ｉ番目のピクセルの光強度であり、Ｎは、像面６１２上の標的照明領域のピクセルの総数である。好適な最適化方法は、全ての入射点が標的照明領域内に位置しなければならないという制約下において、ＮＭＳＥを最小化する各光ビーム６１０の偏向角θ及びφ（光ビーム６１０の入射点の位置を決定する）を算出するために使用され得る。
図１９は、像面６１２上の円形の標的照明領域６２２内に均一な照明パターンが生成される、一例におけるコスト関数の形成を図示する。当業者であれば、他の照明パターンのためのコスト関数も同様に形成され得ることを認識するであろう。
図１９に示す例では、照明システム６００は、像面６１２の円形領域６２２内の２つの同心円６２６Ａ及び６２６Ｂ（各円上の４つの点）上に均一な角度間隔で分布したそれぞれの入射点６２４に向かって発せられる８つの光ビームを使用し得る。
人工知能（ＡＩ）アルゴリズム、機械学習アルゴリズム、勾配降下（ＧＤ）法及び／又は焼きなまし法（ＳＡ）などの任意の好適な最適化方法は、式（１）のＮＭＳＥの大域（又は近大域）最小値と、各光ビーム６１０の対応する偏向角θ及びφとを見つけるために使用され得る。
図２０は、最適化において、以下の所定のパラメータ：
・発光層１０４内のＬＥＤの数、
・各ＬＥＤの視野（ＦＯＶ）の方向及び角度広がり、
・像面６１２上の標的照明領域の形状、
・標的照明領域の大きさ、
・放射源と標的照明領域との間の距離、
・ＧＤの学習率、及び
・最大反復回数
を用いるＧＤ方法を用いて、式（１）のＮＭＳＥの大域（又は近大域）最小値を見つけるためのプロセス６４０のステップを示すフローチャートである。
当業者であれば、上記で説明したパラメータが、プロセス６４０の開始前にユーザによってカスタマイズされ得るか、又はシステム６００のセットアップによって決定され得ることを認識するであろう。
図２０に示すように、プロセス６４０の開始（ステップ６４２）後、上記で説明したパラメータが取り込まれ（ステップ６４４）、各光ビーム６１０の初期状態（例えば、状態変数（θ、φ）の値の初期セット）がランダムに選択される（ステップ６４６）。
ステップ６４８では、全ての光ビーム６１０の状態変数（θ、φ）に対する現在の状態でのコスト関数の勾配が算出される。次いで、学習率を乗じた現在の状態の勾配値の逆方向に全ての光ビーム６１０の状態変数（θ、φ）を「移動させる」（すなわち状態変数（θ、φ）の値を変化させる）（ステップ６５０）。
ステップ６５２では、プロセス６４０は、反復回数が（システム又はユーザによって予め定められた）最大反復回数に達したかどうかを確認する。反復回数が最大反復回数に達した場合、最適化が完了し、次いでプロセス６４０が終了する（ステップ６５４）。
ステップ６５２では、反復回数が最大反復回数に達していない場合、プロセス６４０は、ステップ６５６に進み、任意の光ビーム６１０の入射点が標的照明領域外にあるかどうかを確認する。そうでない場合、プロセス６４０は、光ビーム６１０の状態変数（θ、φ）を更に「移動」させるためにステップ６４８に戻る。
ステップ６５６では、１つ又は複数の光ビーム６１０の入射点が標的照明領域の外にあると分かった場合、プロセス６４０は、勾配値の逆方向に沿った標的照明領域の境界に光ビーム６１０の入射点を位置決めするために、１つ又は複数の光ビーム６１０の状態変数（θ、φ）の値を算出し直し、１つ又は複数の光ビームを固定されたビームとして定義する（すなわち、光ビームの状態変数（θ、φ）は、もはや最適化には使用されない）（ステップ６５８）。次いで、プロセス６４０は、残りの光ビーム６１０の各々の初期状態（例えば、状態変数（θ、φ）の初期値のセット）をランダムに選択し（ステップ６６０）、更なる最適化のためにステップ６４８に戻る。
プロセス６４０は、上記で説明したステップを経て１回又は複数回ループし得、最大反復回数に従って、最終的に試行を停止し、ＮＭＳＥの大域（又は近大域）最小値が達成される。次に、各光ビーム６１０の状態変数（θ、φ）の対応する値が、ＴＶＣＰ１０６の光変換ユニット１２２を構成するために使用される。
いくつかの実施形態では、最適化プロセスは、光ビームを複数の群に分けることがある。例えば、図１９に示す例では、最適化プロセスは、光ビームを、入射点が円６２６Ａ又は６２６Ｂ内にある４つの光ビームをそれぞれ含む２つの群に分けることがある。次いで、最適化プロセスは、ＮＭＳＥを最小化するための制御変数が円６２６Ａ及び６２６Ｂの回転半径及び回転度であるコスト関数を形成し得る。
図２１～図２５は、三角形の照明領域（図２１）、正方形の照明領域（図２２）、五角形の照明領域（図２３）、円形の照明領域（図２４）及びドーナツ形又はリング状の照明領域（図２５）を含む、像面上の異なる形状の標的照明領域内に均一な光強度分布を作成するためのＧＤ法を用いた最適化結果を示す。
メタ表面の作製技術
メタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６は、電子ビームリソグラフィなどの任意の好適な方法を用いて作製され得る。しかしながら、この技術は、コスト及び時間がかかり、小さいメタ表面の作製にのみ好適である。上記で説明したＴＶＣＰ１０６は、通常、センチメートルスケールの直径を有するメタ表面を必要とするため、従来の電子ビームリソグラフィ技術は、迅速でなく且つコスト効率が高くない場合がある。
いくつかの実施形態では、上記で説明したメタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６などのメタ表面を作製するために、深紫外線（ＵＶ）リソグラフィ技術が使用される。深紫外線リソグラフィ技術は、半導体分野において使用される十分に確立された技術であるが、本出願人の知る限り、メタ表面の作製には使用されていない。
この技術では、クロム層をガラスウェハ上に堆積させる。次いで、ウェハがレジストでスピンコーティングされ、続いてＵＶ露光及び現像が行われる。最終的に、メタ表面パターンは、クロム層をエッチングすることによって画定される。そのような技術は、単一のプロセスを通して大きいウェハ上に複数のメタ表面の作製することを可能にし、それにより迅速であり且つコスト効率の高い作製をもたらす。その上、深紫外線リソグラフィ技術は、シリカ、二酸化チタン又はアモルファスシリコンを用いる、可視波長範囲及び赤外波長範囲のためのメタ表面の作製も可能にする。
均一な照明パターンを有する照明システム
上記で説明したように、屋内植物の生育のために使用されるＬＥＤパネルなどの従来の照明システムは、通常、植物全体にわたる均一な配光をもたらさない。
図４及び図１８に示す実施形態と同様のいくつかの実施形態では、グローライトシステムなどの照明システム７００の均一又はほぼ均一な照明は、ＴＶＣＰ層などの角度制御光変換層１０６を発光層１０４の前側に重ね合わせることによって得ることができる。図２６に示すように、発光層１０４は、ＴＶＣＰ１０６を通過して像面（図示せず）に向かう複数の光ビーム７０２を発する。各光ビーム７０２の空間分布は、角度β、θ及びφによって特徴付けられ得、角度βは、光ビーム７０２の角度広がりを決定し、角度θ及びφは、光ビーム７０２の方向を決定する。
ＴＶＣＰ１０６は、各光変換ユニット１２２がメタ表面を含む、所定のパターンで配置された１つ又は複数の光変換ユニット１２２を含む。ＴＶＣＰ１０６の各光変換ユニット１２２は、像面内の光円錐の角度範囲、高度及び緯度を任意に変更するために、対応する光ビーム７０２の角度β、θ及びφを正確に制御するように構成される。ＴＶＣＰ１０６は、さもなければ像面内に存在する配光の対称性を効果的に失わせる（例えば、図２を参照されたい）。ＴＶＣＰ１０６の使用は、角度β、θ及び／又はφの僅かな変化が像面内の強度分布に有意差をもたらし得るという点で有効である。したがって、ほぼ全ての任意の強度分布が生成され得る。
照明システム７００は、像面に均一な照明パターンを生成するために使用され得、グローライトとして使用され得る。作製及び実装を容易にするために、異なる設計を有するメタ表面の数を最小限に抑える必要があることに留意されたい。
いくつかの実施形態では、均一照明システム７００のＴＶＣＰ１０６は、分割メタ表面のセットと、の収束メタ表面のセットとを含む２つのタイプのメタ表面のみを含み得る。
分割メタ表面は、２つの直交偏光状態の光を正反対の方向に導くことによって光ビームの角度β、θ、φを修正する偏光感知メタ表面である。これらの実施形態では、発光層１０４（例えば、ＬＥＤ発光層）は、非偏光光を発し、分割メタ表面において２つの正反対の方向にパワーが等しく分割されることを確実にする。
図２７Ａに示すように、ＴＶＣＰ１０６の分割メタ表面１２２Ａ及び１２２Ｂは、像面（図示せず）上の対象とする照明パターンの境界に光ビーム７０２Ａ及び７０２Ｂをそれぞれ分布させるように構成される。
図２７Ｂは、発光層からの光を分割して、対応する境界に垂直方向に光を導くために分割メタ表面を用いることによって作成された、垂直境界に沿って著しく分布した光エネルギー（以下では、指向性光は、「垂直境界集束光」と呼ばれる）を有する像面上の照明パターン７０４Ａを示す。
同様に、図２７Ｃは、発光層からの光を分割して、対応する境界に水平方向に光を導くために９０°回転させた分割メタ表面（図２７Ｂにおいて使用した分割メタ表面と同様であるが、９０°回転させた光エネルギー分布を有する）を用いることによって作成された、水平境界に沿って著しく分布した光エネルギー（以下では、指向性光は、「水平境界集束光」と呼ばれる）を有する像面上の照明パターン７０４Ｂを示す。
図２７Ｂに示すような水平／垂直境界集束光は、導かれた光が重なり合って、実質的に領域の４つの境界に沿って集中した光エネルギーを有する照明パターン７０６を形成することを可能にするように、像面上の同じ標的領域に導かれ得る（図２８の概念図を参照されたい）。
図２９Ａ及び図２９Ｂに示すように、収束メタ表面１２２Ｃは、光ビーム７０２Ｃの円錐の方向を変化させずに光ビーム７０２Ｃの角度βを修正するように構成される。したがって、収束メタ表面１２２Ｃは、像面上の標的領域の中心に光ビーム７０２Ｃを分配し、それにより実質的に標的領域の中心に集束された光エネルギーを用いて照明パターンを作成する。
図３０に示す概念図によって図示するように、光ビームを同じ標的領域に導くために分割メタ表面１２２Ａ及び１２２Ｂと収束メタ表面１２２Ｃとを用いることにより、照明パターン７０６（図２８に示す照明パターン７０４Ａと７０４Ｂとの組み合わせである）及び７０８は、標的領域内に均一な配光を得るために組み合わされ得る。
そのような均一な配光は、メタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６と像面７１２との間の距離と実質的に無関係である。図３１に示すように、配光は、分布の均一性を損なわずに、単に異なる距離だけ離れて拡大縮小される。
図３２は、メタ表面１２２のアレイを用いたＴＶＣＰ１０６の例示的な実装態様を示す。図示を容易にするために、２つのメタ表面１２２のみが示されている。
これらの実施形態では、ＴＶＣＰ１０６は、発光層１０４のプリント回路基板（ＰＣＢ）７２４上に取り付けられたＬＥＤ１１０を覆うメタ表面ハウジング７２２を含む。メタ表面ハウジング７２２は、ＬＥＤ１１０に対応する位置に複数の受け部７２６を含む。各受け部７２６は、発光層１０４から発せられた光を受け入れるための内側開口と、受け入れた光を通過させるための外側開口とを有する、外方に広がる内面を含み、外側開口は、内側開口の面積よりも大きい面積を有する。
これらの実施形態では、受け部７２６の内面は、照明全体に寄与するように光線（受け部７２６内のＬＥＤ１１０から発せられた）を高角度で反射させ、それにより照明全体の効率を高めるために反射性である。最大の光スループットは、内面の断面が放物面形状であり、及びＬＥＤが内面の中心に位置する場合に達成される。図３３は、発光層１０４に結合されたメタ表面ハウジング７２２を示す写真である。
複数のメタ表面ユニット１２２は、エポキシ及び／又は接着剤などの好適な締結手段を用いてメタ表面ハウジング７２２の受け部７２６に固定されるか又は他に結合され、それによりＬＥＤ１１０とメタ表面ユニット１２２との位置合わせを確実にする。
偏光選択性照明
植物は、多くの場合、秩序のある配置を有する成分で構成される。結果として、植物の光吸収は、多くの場合、偏光に敏感である。換言すれば、植物は、特定の偏光状態における光を他の偏光状態における光よりも多く吸収し得る。したがって、光合成は、特定の偏光状態の照明を用いて最適化され得る。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示するグローライトのメタ表面ベースの光変換層１０６は、偏光選択性であり得、この光変換層１０６は、図３４に示すような非対称基部形状７３２を有するようにメタ表面のナノスケール構造１２４を配置することによって実装され得る。したがって、そのようなメタ表面ベースの光変換層１０６を備えたグローライトは、光合成のための光を最適化するために、特定の偏光状態の光で植物を照明するために使用され得る。概して、光変換層１０６のメタ表面は、直線偏光状態、円偏光状態及び一般に楕円偏光状態を含む様々な偏光状態で植物を照明するように設計され得る。直線偏光照明は、特定の方向に配向された繊維からなる植物の光合成を最適化するために使用され得、及び円偏光照明は、螺旋構造を有する成分からなる植物の光合成を最適化するために使用され得る。
光起電力セルのためのメタ表面ベースのＴＶＣＰ
太陽電池では、常に望ましいが、太陽電池の光起電力セルによる完全な光吸収は、入射光のスペクトルと、光起電力セルのスペクトル応答との不一致に起因して達成することが困難である。図３５に示すように、光起電力セル８４４の表面で発生した光反射８４２によっても、さもなければ光起電力セル８４４によって吸収され得る太陽エネルギーの損失が生じる。
いくつかの実施形態では、メタ表面ベースのＴＶＣＰは、例えば、１つ若しくは複数のシリコンベース及び／又は１つ若しくは複数の量子ドット光起電力セルを有する光起電力パネルに組み込まれ得、光起電力パネルでは、メタ表面ベースのＴＶＣＰは、光起電力セルに特定の波長の光を効果的に送るように構成され得る。その上、メタ表面ベースのＴＶＣＰは、光起電力パネルのサイズの大幅な縮小を可能にする。
当業者であれば分かるように、メタ表面は、ナノスケール構造を含む。メタ表面のナノスケール構造の形状及び分布は、特定の用途の要件を満たすように設計され得るか又は他に構成され得る。例えば、メタ表面は、標的スペクトルの入射光の一部をメタ表面に通過させるか又は他に透過させ、及び標的スペクトルからの入射光の他の部分を完全に反射するように設計され得る。
図３６に示すいくつかの実施形態では、メタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６は、例えば、１つ又は複数のシリコンベース及び／又は量子ドット光起電力セルを有する光起電力パネル８５２の前側に配置され得る。メタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６は、光起電力セルのスペクトル応答と一致するスペクトル応答を有する複数のメタ表面ユニット（図示せず）を含む。したがって、光起電力パネル８５２が単独で使用される場合、十分に吸収されないスペクトルが熱に変わることがあり、他の望ましくない影響によって光起電力パネル８５２の性能が低下するため、メタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６と光起電力パネル８５２との組み合わせは、光起電力パネル８５２単独と比較して著しく効率的である。そのような配置又は組み合わせは、ＬＥＤなどの人工照明源から光エネルギーを収集する屋内光起電力セルにとって特に重要であり、この屋内光起電力セルでは、メタ表面ユニットは、光源の特定の照明スペクトルと一致し、光起電力セルによって効率的に吸収できない他の光を拒絶するように設計され得る。
メタ表面の別の重要な用途は、光線を別の方向に向け直す上記で説明した能力にある。図３７に示すように、前側におけるメタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６は、光起電力パネル８５２であって、メタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６は、光起電力パネル８５２の小さい領域に入射光線８５４を収束させるように構成され、したがって光起電力パネル８５２のサイズが大幅に縮小され得る、光起電力パネル８５２であり得る。図３８は、比較のための、メタ表面ベースのＴＶＣＰ１０６のない先行技術の光起電力パネル８４４を示す。
メタ表面を用いた超指向性スクリーン
従来のスクリーン又はディスプレイは、通常、その視野（ＦＯＶ）の広い角度広がりを有する。しかしながら、いくつかの用途では、ディスプレイのＦＯＶを制限することが望ましいことがある。
本明細書では、ＦＯＶという用語は、構成要素（例えば、ＬＥＤ層、メタ表面層など）から発せられた（例えば、円錐形状又は他の形状の）照明の角度範囲を指し、種々の実施形態では、光は、照明のために又は１つ若しくは複数の画像を表示するために使用され得る。ＦＯＶは、構成要素から発せられた光の方向及び３次元（３Ｄ）角度広がりによって特徴付けられ得る。
例えば、車両又は飛行機内のディスプレイは、概して、個人のみによって見られる。しかしながら、図３９に示すように、車両又は飛行機（図示せず）内に広いＦＯＶ８６８（すなわち広い角度広がりを有するＦＯＶ８６８）を有するディスプレイ８６２は、不必要に周囲領域に光を発し、その結果、ディスプレイ８６２の前方にいるユーザ８６４への輝度の低下、光エネルギーの浪費、ユーザ８６４に隣接する人８６６への妨害をもたらし得る。
同様に、家庭又は劇場内で使用される広いＦＯＶのディスプレイは、壁及び天井などの周辺領域を照らし、ディスプレイの前方にいるユーザへの輝度の低下と、光エネルギーの浪費とにつながるであろう。
その上、ＡＴＭのディスプレイ、銀行内のディスプレイ、機密性の高い作業のためにユーザが使用しているノート型パソコンのディスプレイなど、強化されたセキュリティ又はプライバシーを必要とするいくつかの用途では、これらの用途における広いＦＯＶのディスプレイは、上記で説明した輝度低下の問題、光エネルギーの浪費及び／又は隣接する人への妨害に加えて、セキュリティ又はプライバシーのリスクも引き起こし得るため、指向性の高いディスプレイが必要になることがある。
図４０は、本開示のいくつかの実施形態による、メタ表面を用いた超指向性スクリーン又はディスプレイ８７０を示す。超指向性スクリーン８７０は、ディスプレイ又はディスプレイ層８７２と、その前側におけるメタ表面パネル又は層８７４とを含む。
先に説明した光変換層１０６と同様に、メタ表面パネル８７４は、ディスプレイ８７２から発せられた光を、ディスプレイ８７２のＦＯＶ８７６よりも小さい所定のＦＯＶ８７８内に制限するように所望の方向に光を導き、それにより、ディスプレイ８７２上に示された内容を対象者８６４のみが確認できるように仮想視覚バリアを作成する、ナノスケール構造のアレイで構築された複数のメタ表面ユニットを含む。
この超指向性スクリーン８７０は、
・より小さい領域への光エネルギーの集中分布に起因する優れた輝度、
・対象としない領域の照明の回避と、対象とする領域への光エネルギーの均一な分布とに起因する改善された電力効率、及び
・視覚情報としての強化されたセキュリティ及びプライバシーを超指向性スクリーン８７０の前方にいる対象者のみが視認できること
を含む多くの利点を有する。
上記で説明したように、メタ表面は、非対称形状を備えたメタ表面のナノ構造を作製することによって達成される、異なる偏光状態の光と異なる態様で相互作用するように設計され得る。
図４１は、いくつかの実施形態における可変視野（ＶＦＯＶ）スクリーン又はディスプレイ８８０を示す。ＭＦＯＶディスプレイ８８０は、ディスプレイ８７２と、ディスプレイ８７２の前側における偏光制御パネル８８４と、偏光制御パネル８８４の前側における偏光感知メタ表面パネル８８６とを含む。
これらの実施形態では、偏光制御パネル８８４は、液晶偏光回転子を用いて実装され得、及びディスプレイ８７２から発せられた光の偏光を２つの直交偏光状態のいずれか一方に制御するための調整可能な制御信号Ｖによって制御される。
ＭＦＯＶディスプレイ８８０は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す発光装置又はディスプレイ２００と同様であるが、これらの実施形態におけるＭＦＯＶディスプレイ８８０は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す発光装置又はディスプレイ２００が導くように、異なる偏光状態の光を異なる方向のＦＯＶに導くことはない。むしろ、これらの実施形態における偏光感知メタ表面パネル８８６は、第１の偏光状態における光を、第１の角度広がり８８８を有する第１のＦＯＶに導き、及び第２の偏光状態における光を、第２の角度広がり８９０を有する第２のＦＯＶを形成するように導くために、偏光された光と相互作用する。例えば、第１の角度広がり８８８は、表示内容を視認するためのＭＦＯＶディスプレイ８８０に関する、複数のユーザ８６４及び８６６にとって好適な広い角度広がりであり得、及び第２の角度広がり８９０は、ユーザ８６４が表示内容を視認することのみを可能にするための、第１の角度広がり８８８よりも小さい狭い角度広がりであり得る。
上記の実施形態では、偏光制御パネル８８４は、制御信号が第１の電圧にあるとき、偏光制御パネル８８４を通過する全ての光を第１の偏光状態に偏光させ、及び制御信号が第２の電圧にあるとき、偏光制御パネル８８４を通過する全ての光を第２の偏光状態に偏光させる。このように、ユーザ８６４は、隣接する人と表示内容を共有するための、及び仮想視覚バリアを作成して、他の人が表示内容を視認することを防止するための、それぞれ第１の角度広がりと第２の角度広がりとの間でＭＦＯＶディスプレイ８８０のＦＯＶを切り替え得る。
図４２に示す別の実施形態では、ＭＦＯＶディスプレイ８８０は、図１０Ａ及び図１０Ｂで説明したディスプレイと同様である。具体的には、ディスプレイ８７２は、ユニットの各セットが画像を表示するために使用され得る、２セットのユニット（設計に応じてピクセル又はサブピクセル）を含む。
それに対応して、偏光制御パネル８８４及び偏光感知メタ表面パネル８８６の各々は、ディスプレイ８７２の２セットのユニットに対応する２セットのユニットも含む。偏光制御パネル８８４のユニットの各セットは、別個の制御信号Ｖ１又はＶ２によって制御され、及び偏光感知メタ表面パネル８８６のユニットの各セットは、特定の偏光状態と一致し、偏光状態の光を特定のＦＯＶに導く。
したがって、ディスプレイ８７２は、２セットのピクセル／ユニットを用いて２つの画像を同時に表示し得、偏光制御パネル８８４は、第１の画像及び第２の画像の光を第１の偏光状態及び第２の偏光状態に偏光させる。次に、偏光感知メタ表面パネル８８６は、第１の偏光状態における光（すなわち第１の画像）を、第１の画像を複数の人８６４及び８６６と共有するための広い角度広がりを有する第１のＦＯＶに導き、及び第２の偏光状態における光を、人８６６が第２の画像を視認することを防止するための狭い角度広がりを有する第２のＦＯＶに導く。
例えば、図４３Ａ及び図４３Ｂに示すように、ディスプレイは、画像８９２Ａが、広い角度広がりの第１のＦＯＶ内に表示され、及び画像８９２Ｂが、狭い角度広がりの第２のＦＯＶ内に表示される、２つの画像８９２Ａ及び８９２Ｂを同時に表示する。
図４３Ｃに示すように、ディスプレイ８７２は、画像８９２Ａ及び８９２Ｂを同時に及び並べて表示するために並べて配置された第１のセットのピクセル８９４Ａ及び第２のセットのピクセル８９４Ｂにピクセルを分ける。
図４３Ｄに示すように、偏光制御パネル８８４は、通過する光を第１の偏光状態に偏光させるための、第１のセットのピクセル８９４Ａに対応する第１のセットの偏光ユニット８９６Ａと、通過する光を第２の偏光状態に偏光させるための、第２のセットのピクセル８９４Ｂに対応する第２のセットの偏光ユニット８９６Ｂとを備えた、ディスプレイ８７２のピクセルに対応する複数の偏光ユニット８９４を含む。
図４３Ｅに示すように、偏光感知メタ表面パネル８８６は、偏光制御パネル８８４の偏光ユニット８９４に対応する複数のメタ表面ユニット８９８であって、メタ表面ユニット８９８を通過する第１の偏光状態における光を（広い角度広がりを有する）第１のＦＯＶに導き、及びメタ表面ユニット８９８を通過する第２の偏光状態における光を（狭い角度広がりを有する）第２のＦＯＶに導く複数のメタ表面ユニット８９８を含む。
結果として、第１の画像８９２Ａは、第１のＦＯＶに向けられ、及び第２の画像８９２Ｂは、第２のＦＯＶに向けられる。図４３Ｆに示すように、画像８９２Ａ及び８９２Ｂは、第１のＦＯＶと第２のＦＯＶとの両方に位置するユーザ８６４にとって視認可能であり、第１のＦＯＶ（広い角度広がりを有する）にのみ位置するユーザ８６６は、第１の画像８９２Ａのみを確認することができる。換言すれば、画像８９２Ｂは、第１のＦＯＶにのみ位置するユーザ８６６には視認できない。
メタ表面を用いた３次元（３Ｄ）ディスプレイ
図４４は、本開示のいくつかの実施形態による、メタ表面を用いた３Ｄディスプレイ９００を示す。図示のように、３Ｄディスプレイ９００は、ディスプレイ８７２と、ディスプレイ８７２の前側における偏光感知メタ表面パネル８８６とを含む。ディスプレイ８７２は、非偏光光（概して両方の偏光状態を含む）を発することによって画像を表示する。偏光感知メタ表面パネル８８６は、第１の偏光状態における光を第１のＦＯＶ８８８に導き、及び第２の偏光状態における光を、第１のＦＯＶ８８８から横方向に僅かにずらされた第２のＦＯＶ８９０に導くように構成される。異なる偏光状態に偏光させるレンズを有する眼鏡を掛けたユーザ８６４は、一方の眼で第１の画像を、及び他方の眼で第２の画像を確認し、第２の画像には、第１の画像からの僅かな遠近歪みがあり、それにより表示画像の３Ｄ知覚を生成する。
いくつかの実施形態では、３Ｄディスプレイ９００は、ディスプレイ８７２と偏光感知メタ表面パネル８８６との間に挟まれた偏光制御パネル８８４も含み得る。偏光制御パネル８８４は、動作中にディスプレイ８７２からの光を第１の偏光状態と第２の偏光状態とに交互に偏光させる。
図４５は、本開示のいくつかの実施形態による、メタ表面を用いた３Ｄディスプレイ９２０を示す。３Ｄディスプレイ９２０は、図４４に示すものと同様である。しかしながら、偏光感知メタ表面パネル８８６は、第１の偏光状態における光を、ユーザ８６４の第１の眼のみをカバーする第１のＦＯＶ８８８に導き、及び第２の偏光状態における光を、ユーザ８６４の第２の眼のみをカバーする第２のＦＯＶ８９０に導くように構成される。したがって、偏光レンズを有する眼鏡を掛けていないユーザ８６４は、一方の眼で第１の画像を、及び他方の眼で第２の画像を確認し得、第２の画像には、第１の画像からの僅かな遠近歪みがあり、それにより表示画像の３Ｄ知覚を生成する。
いくつかの実施形態では、３Ｄディスプレイ９２０は、ディスプレイ８７２と偏光感知メタ表面パネル８８６との間に挟まれた偏光制御パネル８８４も含み得る。偏光制御パネル８８４は、動作中にディスプレイ８７２からの光を第１の偏光状態と第２の偏光状態とに交互に偏光させる。
太陽電池セル角度補正
先行技術では、太陽光パネルは、太陽光反射の問題に直面し得る。
当業者であれば理解するように、太陽光の入射角は、光起電力セルの効率に重大な影響を及ぼし得る。図４６に示すように、太陽光パネル９４２の光起電力セルは、太陽光９４４が光起電力セルに垂直に衝突するときに最も効率が高い。
図４７に示すように、太陽光９４４が太陽光パネル９４２の光起電力セルに対して垂直でない角度をなす異なる時点では、太陽光の一部９４６が反射されて光起電力セルの効率が低下する。したがって、固定された太陽光パネルの光起電力セルは、１日の異なる時点及び１年の異なる日に異なる効率を有するであろう。太陽を追尾するように太陽光パネルを回転させることによって光起電力パネルの効率を改善するための太陽追尾システムが使用されているが、そのようなシステムは、追尾システムと可動部とを必要とし、かかるシステムを製造及び使用するコストが高くなる。
図４８及び図４９は、１つ又は複数の光起電力セルを有する太陽光パネル９７２と、その前側における複数のＴＶＣＰ９７４とを含む太陽エネルギー収集装置９７０を示す。埋め込まれた偏光制御パネルを用いて、各ＴＶＣＰ９７４の応答が変化し得る偏光感知メタ表面を用いることにより、複数のＴＶＣＰ９７４は、所定の範囲内の入射角で入射する太陽光９４４が太陽光パネル９７２に衝突するときに光起電力セルに対して垂直になり、それにより太陽追尾システム又は可動部の必要なしに効率を改善するように、太陽光９４４の方向を変化させ得る。
上記で説明したいくつかの実施形態では、発光装置及び／又はシステムは、屋内又は屋外植物の生育などの植物生育のために使用される。しかしながら、当業者であれば、本明細書に開示する発光装置及び／又はシステムが代替的に街路灯などの他の用途で使用され得ることを認識するであろう。
実施形態について添付の図面を参照して上記で説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく、変更形態及び修正形態がなされ得ることを認識するであろう。

Claims (21)

  1. 発光装置であって、
    光を発するための発光層と、
    前記発光層に結合された光変換層であって、複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、前記発光層から発せられた前記光の１つ又は複数のパラメータを調整するためのメタ表面を含む、光変換層と、
    を含み、
    前記発光層は、複数の発光ユニットを含み、
    前記複数の光変換ユニットは、複数のメタ表面を前記複数の発光ユニットと位置合わせするために、前記複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある、発光装置。
  2. 前記発光層は、光を発するための１つ又は複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記光変換層は、複数のメタ表面を受け入れるための複数の受け部を備えるハウジングを備える、請求項１又は２に記載の発光装置。
  4. 前記複数の受け部の各々は、前記発光層から発せられた光を受け入れるための内側開口と、前記受け入れられた光を通過させるための外側開口とを有する、外方に広がる内面を含み、前記外側開口は、前記内側開口の面積よりも大きい面積を有する、請求項３に記載の発光装置。
  5. 前記複数の受け部の各々の前記内面は、反射性である、請求項４に記載の発光装置。
  6. 前記複数の受け部の各々の前記内面の断面は、放物面形状を有する、請求項４又は５に記載の発光装置。
  7. 発光装置であって、
    光を発するための発光層と、
    複数の光変換ユニットを含む光変換層であって、各光変換ユニットは、メタ表面を含み、少なくとも１つのメタ表面は、所定の偏光状態を有する、前記発光層から発せられた前記光を、前記メタ表面を通して選択的に通過させるために偏光選択性である、光変換層と、
    を備え、
    前記発光層は、複数の発光ユニットを含み、
    前記複数の光変換ユニットは、複数のメタ表面を前記複数の発光ユニットと位置合わせするために、前記複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある、発光装置。
  8. 前記複数のメタ表面の各々は、非対称基部形状で配置された複数のナノスケール構造を含む、請求項７に記載の発光装置。
  9. 前記発光層から発せられた前記光を偏光させるための、前記発光層と前記光変換層との間に挟まれた偏光制御層を更に含む、請求項７又は８に記載の発光装置。
  10. １つ又は複数の植物の生育を促進するためのグローライトである、請求項７又は９に記載の発光装置。
  11. １つ又は複数の植物の生育を促進するための発光装置であって、
    光を発するための発光層と、
    複数の光変換ユニットを含む少なくとも１つの光変換層であって、各光変換ユニットは、前記１つ又は複数の植物の照明構成を最適化するために、前記発光層から発せられた前記光の１つ又は複数のパラメータを調整するためのメタ表面を含む、少なくとも１つの光変換層と、
    を含み、
    前記発光層は、複数の発光ユニットを含み、
    前記複数の光変換ユニットは、複数のメタ表面を前記複数の発光ユニットと位置合わせするために、前記複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある、発光装置。
  12. 表示装置であって、
    光を発するための発光層と、
    複数の光変換ユニットを含む少なくとも１つの光変換層であって、各光変換ユニットは、１つ又は複数の画像を表示するために、前記発光層から発せられた前記光の１つ又は複数のパラメータを調整するためのメタ表面を含む、少なくとも１つの光変換層と、
    を含み、
    前記発光層は、複数の発光ユニットを含み、
    前記複数の光変換ユニットは、複数のメタ表面を前記複数の発光ユニットと位置合わせするために、前記複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある、表示装置。
  13. 発光装置であって、
    光を発するための発光層と、
    前記発光層から発せられた前記光を偏光させるための、前記発光層に結合された偏光制御層と、
    前記偏光制御層に結合された少なくとも１つの光変換層であって、複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、少なくとも１つのメタ表面を含み、少なくとも１つのメタ表面は、異なる照明パターン又は画像間で切り替えるために、前記偏光制御層からの前記偏光された光を、前記メタ表面を通して選択的に通過させるために偏光選択性である、少なくとも１つの光変換層と、
    を含み、
    前記発光層は、複数の発光ユニットを含み、
    前記複数の光変換ユニットは、複数のメタ表面を前記複数の発光ユニットと位置合わせするために、前記複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある、発光装置。
  14. 発光装置であって、
    光を発するための発光層と、
    前記発光層から発せられた前記光を偏光させるための、前記発光層に結合された偏光制御層と、
    前記偏光制御層に結合された少なくとも１つの光変換層であって、複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、少なくとも１つのメタ表面を含み、少なくとも１つのメタ表面は、複数の異なる照明パターン又は画像を異なる位置に作成するために、前記偏光制御層からの前記偏光された光を、前記メタ表面を通して選択的に通過させるために偏光選択性である、少なくとも１つの光変換層と、
    を含み、
    前記発光層は、複数の発光ユニットを含み、
    前記複数の光変換ユニットは、複数のメタ表面を前記複数の発光ユニットと位置合わせするために、前記複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある、発光装置。
  15. 発光装置であって、
    第１の放射源視野（ＦＯＶ）に向かって光を発するための発光層と、
    前記発光層から発せられた前記光を、前記第１のＦＯＶの角度広がりよりも小さい角度広がりを有する第２のＦＯＶに向かって導くための、前記発光層の前側における少なくとも１つのメタ表面層と、
    前記発光層と少なくとも１つの光変換層との間に挟まれた偏光制御層と、
    を含み、
    前記偏光制御層は、制御信号に応答して、前記発光層から発せられた前記光を第１の偏光状態又は第２の偏光状態に偏光させるように構成され、
    前記少なくとも１つの光変換層は、前記第１の偏光状態における、前記偏光制御層からの前記光を、前記第１のＦＯＶの角度広がりよりも小さい角度広がりを有する第２のＦＯＶに向かって導き、及び前記第２の偏光状態における、前記偏光制御層からの前記光を、前記第２のＦＯＶの角度広がりよりも大きい角度広がりを有する第３のＦＯＶに向かって導くように構成される、発光装置。
  16. 発光装置であって、
    光を発するための発光層と、
    前記発光層の前側における光変換層であって、複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、所定の配光パターンを形成するために、前記発光層から発せられた光を標的領域に向かって導くためのメタ表面を含む、光変換層と、
    を含み、
    前記発光層は、複数の発光ユニットを含み、
    前記複数の光変換ユニットは、複数のメタ表面を前記複数の発光ユニットと位置合わせするために、前記複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある、発光装置。
  17. 前記所定の配光パターンは、前記標的領域上の実質的に均一な光エネルギー分布である、請求項１６に記載の発光装置。
  18. 前記複数のメタ表面は、前記発光層から発せられた前記光を前記標的領域の境界に向かって導くためのメタ表面の第１のセットと、前記実質的に均一な光エネルギー分布を前記標的領域上に生成するために、前記発光層から発せられた前記光を前記標的領域の中心に向かって導くためのメタ表面の第２のセットとを含む、請求項１７に記載の発光装置。
  19. 発光装置であって、
    光を発するための発光層と、
    第１の偏光状態における、前記発光層から発せられた前記光を第１のＦＯＶに向かって導き、及び第２の偏光状態における、前記発光層から発せられた前記光を第２のＦＯＶに向かって導くための、前記発光層の前側における少なくとも１つのメタ表面層と
    を含み、前記第１のＦＯＶ及び前記第２のＦＯＶは、異なる偏光状態のレンズを有する眼鏡を掛けたユーザに対して３次元（３Ｄ）知覚を形成するために重ね合わされ、及び互いに横方向にずらされる、発光装置。
  20. 発光装置であって、
    光を発するための発光層と、
    第１の偏光状態における、前記発光層から発せられた前記光を第１のＦＯＶに向かって導き、及び第２の偏光状態における、前記発光層から発せられた前記光を第２のＦＯＶに向かって導くための、前記発光層の前側における少なくとも１つのメタ表面層と
    を含み、前記第１のＦＯＶ及び前記第２のＦＯＶは、ユーザに対して３Ｄ知覚を形成するために、前記第１のＦＯＶが所定の距離において前記ユーザの第１の眼でのみ視認可能であり、及び前記第２のＦＯＶが前記所定の距離において前記ユーザの第２の眼でのみ視認可能であるように互いに横方向にずらされる、発光装置。
  21. 発光装置を製造する方法でって、
    光変換層を発光層上に印刷することを含み、
    前記発光層は、光を発するための複数の発光ユニットを含み、
    前記光変換層は、複数の光変換ユニットを含み、各光変換ユニットは、前記発光層から発せられた光の１つ又は複数のパラメータを調整するためのメタ表面を含み、
    前記複数の光変換ユニットは、複数のメタ表面を前記複数の発光ユニットと位置合わせするために、前記複数の発光ユニットの位置に対応する位置にある、方法。
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