CN100571353C - 投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明说明了一种投影设备，其具有光调制器以及至少一个光源，所述光调制器具有光接收区域，所述光接收区域具有大小为A_M的待照亮的横截面和对于入射光的最大接收角α，借助所述光源在其工作时产生用于照亮光接收区域的横截面的光锥，并且所述光源具有数量为N的发光二极管芯片，所述发光二极管芯片具有最大辐射角β。所述发光二极管芯片中的至少一个具有大小为A_D的辐射耦合输出面。适用关系式0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)，其中n等于1或者等于发光二极管芯片所设置的耦合介质的折射率。

Description

投影设备

本发明涉及一种投影设备，其具有光调制器和至少一个光源，该光源具有发光二极管芯片。

本申请要求德国专利申请10 2005 022 357.5和10 2005 031 336.1的优先权，其相应的公开内容通过引用结合于此。

在投影设备中，所投影的图像的亮度尤为重要。为了产生尽可能高的亮度，用于前述类型的投影设备的光源目前通常装配有尽可能多的发光二极管芯片。

本发明的任务是提供一种前述类型的投影设备，该投影设备与传统的投影设备相比在亮度的产生方面具有更高的效率。

该任务可以通过如下投影设备来解决，其具有光调制器以及至少一个光源，所述光调制器具有光接收区域，所述光接收区域具有大小为A_M的待照亮的横截面和对于入射光的最大接收角α，借助所述光源在工作时产生用于照亮所述光接收区域的横截面的光锥，并且所述光源具有数量为N的发光二极管芯片，所述发光二极管芯片具有大小为A_D的辐射耦合输出面和最大辐射角β，其中在所述发光二极管芯片与所述光调制器之间的光路中设置有至少一个光学元件，在所述发光二极管芯片与所述光学元件之间的光路中存在间隙，所述间隙填充有气体，所述发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D没有耦合介质，并且0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)，其中n＝1。

此外，该任务也可以通过如下投影设备来解决，其具有光调制器以及至少一个光源，所述光调制器具有光接收区域，所述光接收区域具有大小为A_M的待照亮的横截面和对于入射光的最大接收角α，借助所述光源在工作时产生用于照亮所述光接收区域的横截面的光锥，并且所述光源具有数量为N的发光二极管芯片，所述发光二极管芯片具有大小为A_D的辐射耦合输出面和最大辐射角β，其中在所述发光二极管芯片与所述光调制器之间的光路中设置有至少一个光学元件，所述发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D设置有耦合介质，0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)，其中n等于所述耦合介质的材料的折射率。

在考虑到光调制器的特性的情况下来选择发光二极管芯片的数量N。令人意外的是，发现仅利用与传统投影设备相比较小数量的发光二极管芯片，就可在投影设备中以最佳效率产生高亮度。

在确定发光二极管芯片的最佳数量N时，尤其是考虑了光调制器的光接收区域的待照亮横截面的大小A_M以及该光接收区域对入射光的最大接收角α。光接收区域的最大接收角α是针对入射到光调制器上的光的、为光调制器所设置的最大入射角。

此外，在确定发光二极管芯片的数量N时，考虑了发光二极管芯片的辐射耦合输出面的大小A_D以及发光二极管芯片的最大辐射角β。可替换地，也可使用仅仅一个发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D和最大辐射角β，即至少一个发光二极管芯片具有大小为A_D的辐射耦合输出面。发光二极管芯片的辐射耦合输出面是通过其从发光二极管芯片耦合输出电磁辐射的外表面。最大辐射角β相对于发光二极管芯片的主辐射方向来测量，并且为这样的角度：在该角度下仍从发光二极管芯片耦合输出有效的电磁辐射强度。

在投影设备中，在发光二极管芯片与光调制器间的光路中设置有至少一个光学元件。

对于发光二极管芯片的数量N，适用以下公式：

0,7＊(A_M＊sin²(α))/(A_D＊sin²(β)＊n²)≤N≤1,3＊(A_M＊sin²(α))/(A_D＊sin²(β)＊n²)，

其中n的值取决于从发光二极管芯片耦合输出的辐射受附加装置影响的程度。换句话说，发光二极管芯片数量N的可能值借助由(A_M*sin²(α))与(A_D*sin²(β)*n²)构成的商来确定并且最大超过或者低于该商30％。根据第一实施形式，n＝1。可替换地，n等于耦合介质的材料折射率，其中发光二极管芯片的辐射耦合输出面设置有该耦合介质，这将在下面更为详细地予以阐述。

根据一种实施形式，在发光二极管芯片与光学元件间的光路中存在间隙，该间隙填充有气体。此外，发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D没有耦合介质。在这样的情况下，n＝1。

结合本发明，耦合介质应理解为一种介质，与裸露的发光二极管芯片相比，借助该介质使来自发光二极管芯片的辐射耦合输出显著地受到影响。尤其是当发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D没有封装材料(如浇注材料)时，情况如此。封装材料应理解为一种材料，其适于以已知的方式封装或者包封发光二极管芯片，使得其免受外部影响。

当辐射耦合输出面A_D以这种方式来设置封装材料，使得来自发光二极管芯片的辐射耦合输出仅以足以忽略的程度地受该封装材料影响时，发光二极管芯片也没有耦合介质。尤其是辐射耦合输出面A_D上的封装材料具有小于或者等于发光二极管芯片的彼此对置的芯片边的最大距离的0.2倍时，情况如此。在具有方形基本形状的发光二极管芯片中，最大横向距离等于芯片边长。在具有矩形基本形状的发光二极管芯片中，该表述相应于较长芯片边的长度。通常，最大横向伸展在本发明的意义上相应于彼此对置的芯片边的最大距离。尤其是，具有折射率大于1的基本上施加成平面层的封装材料在上述前提条件下不应理解为本发明意义上的耦合介质。同样，空气基本上不应理解为耦合介质。

根据一种可替换的实施形式，发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D设置有耦合介质。在根据该实施形式的投影设备中，n等于耦合材料的折射率。

尤其是当发光二极管芯片借助耦合材料以光学方式地耦合到光学元件上，或者当辐射耦合输出面A_D设置有耦合材料，使得来自发光二极管芯片的辐射耦合输出受到显著影响时，尤其是显著提高时，情况如此。

结合本发明，出发点是：即使发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D设置有具有厚度大于彼此对置的芯片边的最大距离0.2倍的耦合材料，也会显著影响辐射耦合输出。耦合材料例如也可以是封装材料。

发光二极管芯片优选地具有带有发射电磁辐射的有源区的薄膜层，该有源区基本上没有生长衬底，并且在背离主辐射面的侧设置有反射器。这是所谓薄膜发光二极管芯片的主要特性，这些薄膜发光二极管芯片特别优选地包含于投影设备中。

薄膜发光二极管芯片的特色尤其是以下典型特点：

-在产生辐射的外延层序列的朝支承元件的第一主面上，施加或者构造有反射层，它将在外延层序列中产生的电磁辐射中的至少一部分向回反射进外延层序列中，

-外延层序列具有范围在20μm或者更小的厚度，尤其是范围在10μm或者更小的厚度，以及

-外延层序列包含至少一个半导体层，半导体层具有至少一个面，该面具有混匀结构，混匀结构在理想情况下引起光在外延的外延层序列中的近似各态历经得分布，即混匀结构具有尽可能各态历经的随机散射特性。

例如在1993年10月18日I.Schnitzer等人所著的Appl.Phys.Lett.63(16)，2174-2176页中描述了薄层发光二极管芯片的基本原理，其就此的公开内容通过引用结合于此。

薄膜发光二极管芯片良好近似为朗伯特(lambert’scher)表面辐射器，并且因此特别好地适于应用到投影设备的光源中。结合本发明，针对薄膜发光二极管芯片原则上假设90°的最大辐射角β。在薄膜发光二极管芯片中，通过薄膜层的侧面发射的辐射部分常常小得可以忽略，例如它通常小于整个发射的1％，所以在薄膜发光二极管芯片中也可忽略辐射耦合输出面A_D上的侧面的部分。

根据投影设备的一种有利的实施形式，发光二极管芯片设置成x行和y列的矩阵，其中数x的可能值由(l_M×sin(α))与(l_D×sin(β)×n)构成的商来确定，而数y的可能值由(b_M×sin(α))与(b_D×sin(β)×n)构成的商来确定，并且这些值最多超过或者低于相应商30％。在此，l_M表示光调制器的光接收区域的横截面A_M的长度，而b_M表示光调制器的光接收区域的横截面A_M的宽度，l_D或b_D表示发光二极管芯片的薄膜层的主辐射面的长度或宽度。

通过确定矩阵的行和列的合适值，使发光二极管芯片的设置与光接收区域的形状相匹配，由此还可以更为有效地利用由发光二极管芯片产生的光。

数N或者数x或y的可能值尤其优选等于上舍入或者下舍入到相邻整数的商的相应值。通过这样的方式，可以实现尽可能有效地利用由发光二极管芯片产生的光。

替代确定数量N，在本发明的意义上也可以预定发光二极管芯片的确定数量N，并且使发光二极管芯片的大小或其辐射耦合输出面A_D或者其长度和宽度匹配于按照上述公式确定的值。因此例如对于辐射耦合输出面适用以下公式：

0,7＊(A_M＊sin²(α))/(N＊sin²(β)＊n²)≤A_D≤1,3＊(A_M＊sin²(α))/(N＊sin²(β)＊n²).

自然，当其余各量被预给定时，所有其他包含于公式中的量可以相应地被确定。

根据另一种有利的实施形式，数量N或者数x或者y的可能值等于上舍入或者下舍入到相邻偶数的相应的商。例如，当发光二极管芯片设置成偶数个组时，偶数N会是有利的。优选的是，在这种情况下，在发光二极管芯片的每组之后设置有专用的光学元件。

根据一种特别优选的实施形式，发光二极管芯片的主辐射面具有基本上矩形的形状。通过这样的方式，发光二极管芯片的形状和/或发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D可以更好地匹配于光调制器的光接收区域的形状或轮廓。这也有利于更好地利用由光源发射的光。

优选地，多个发光二极管芯片共同分配有一光学元件。与每个发光二极管芯片分配有专用光学元件的情况相比，这例如具有简化安装的优点。附加地或者可替换地，发光二极管芯片被分成至少两组，它们分别分配有专用的光学元件。

合乎目的地，在发光二极管芯片的至少一部分之后分别设置有发光转换元件，借助该发光转换元件将发光二极管芯片发射的电磁辐射至少部分地转换成具有改变过的波长的电磁辐射。例如当发射蓝色光的发光二极管芯片与发射黄色光的发光物质组合时，利用发光转换元件可产生尤其是白色的光。

可替换地，在各种发光二极管芯片之后优选地设置有不同的发光转换材料，发光转换材料优选发射不同颜色的光或者不同波长范围中的光。

特别优选地，发光转换材料中的每一种都具有唯一的发光物质。与使用多种发光物质在其中彼此混合的单一发光转换材料相比，能实现在电磁辐射转换时更高的效率，因为在使用多种发光物质时，由第一发光物质发射的光会被第二发光物质再吸收。另一方面，通过使用用于产生有色光的发光物质通常比仅通过发光二极管芯片能实现更宽的发射光谱。总之，利用这样的解决方案可以实现具有改善的色彩再现的光。

光学元件优选以非成像的光学聚能器的方式来构造，与聚能器的通常使用相比，该光学聚能器设置用于在相反方向上透射。通过使用至少一个这样的光学元件，能够以有效的方式有利地降低由光源发射的光的发散。

在此特别优选的是，光学聚能器的光输入端尽可能靠近发光二极管芯片。合乎目的地，从光学元件发射出的光的立体角借助光学元件尽可能靠近发光二极管芯片地变小，在那里辐射锥的横截面较小。尤其是在要将尽可能高的辐射强度投影到尽可能小的面上时(如在投影设备中)，这是必需的。

在此，几何光学系统中的重要恒量是光学扩展量(Etendue)，即光导值(Lichtleitwert)。它为光源的面积与其辐射的立体角的乘积。光学扩展量描述了任意强度的光锥体的扩展。光学扩展量的守恒特别是导致漫射辐射源(例如发光二极管芯片)的光不再聚集，即不再能偏转到一个具有更小扩展的面上，而不考虑损耗。所以有利的是具有尽可能小截面的光束入射进光学元件。

在一种特别合乎目的的实施形式中，光被借助光学元件强烈地准直，即光的发散被强烈地减小，使得光从光学元件以具有一张角的辐射锥来发射，该张角小于或者等于光调制器的光接收器范围的最大接收角α。

根据一种有利的实施形式，辐射锥的张角小于或者等于25°，优选小于或者等于20°，特别优选的是小于或者等于15°。

光学聚能器有利地是CPC型、CEC型或者CHC型光学聚能器，由此在此或者如下总称为聚能器，聚能器的反射侧壁至少部分和/或至少尽最大可能地具有复合式抛物面聚焦器(Compound ParabolicConcentrator，CPC)，复合式椭圆形聚焦器(Compound EllipticConcentrator，CEC)和/或复合式双曲线聚焦器(Compound HyperbolicConcentrator，CHC)的形状。

特别优选的是，光学元件的反射面部分或者完全构造为自由面，以便最佳地调节所需辐射特性。在其基本形状中，光学元件在此优选近似于CPC型、CEC型或者CHC型。

可替换地，聚能器优选地具有侧壁，该侧壁将辐射输入端与辐射输出端相连，并构造为分布在侧壁上的、在辐射输入端与辐射输出端之间的直接连接线基本上笔直地延伸。

在此，光学元件合乎目的地具有基本体，该基本体限定空腔，并且空腔的内壁至少对由光源发射的光的部分光谱范围是反射的。

可替换地，光学元件有利地构造成介电聚能器的类型，并且具有完全体形状的基本体，该基本体带有适当折射率的介电材料，使得耦合输入该光学元件中的光通过在完全体的侧边界面上的全反射朝周围的介质反射。通过利用全反射，可最大程度地避免光在其反射时的吸收。

优选地，光学元件具有带有透镜式弯曲的边界面的辐射输出端。通过这样的方式可以尽可能地降低光的发散。

作为对光学聚能器的替换方案，光学元件优选地构造为光导体，该光导体具有恒定的横截面或者具有朝光输出端变大的横截面用于混合光。光学元件的横截面优选具有偶数多边形的形状。其外表面合乎目的地实施为笔直的，并且具有平坦的子面，由此可以保证光的良好混合。当不同颜色的、要混合成白色的光耦合输入进光学元件中时，光学元件的这种实施尤其是有利的。

可替换地，在光路中这种用于混合光的光导体设置在投影设备的光学元件之后。

合乎目的的是，以彼此尽可能小的距离设置一部分相邻发光二极管芯片或者所有相邻发光二极管。该距离优选为小于或者等于300μm，特别优选小于或者等于100μm而大于或者等于0μm。这样的措施对在投影设备中实现尽可能高的辐射强度是有利的。

光学元件在辐射输出侧优选地具有基本为矩形的横截面。通过这样的方式，在光学元件中可以如下方式形成光锥的横截面，使得其至少部分匹配于光调制器的光接收器区域的横截面。

附加地或者可替换地，光学元件沿第一平面具有第一最大辐射角而沿第二平面具有第二最大辐射角，第二最大辐射角不同于第一最大辐射角。换句话说，将光学元件如下构造，使得通过辐射输入端入射的光沿第一平面在第一最大角下从光学元件发射，和沿第二平面在第二最大角下从光学元件发射。第一和第二平面尤其是平行于光学元件的主辐射方向分布。优选地，第一和第二平面彼此垂直地设置。该措施也会有利于实现光锥与光调制器的匹配。

第一最大辐射角优选在10°到13°(包含两端点)之间，而第二最大辐射角优选在13°到18°(包含两端点)之间。

从以下结合附图1至40而阐述的实施例得到投影设备的其它优点、优选实施形式和改进方案以及其组成部分。其中：

图1以根据第一实施例的剖面视图示出了投影设备的示意性结构，

图2以投影设备的光接收区域的俯视图示出了图1中所示投影设备的光调制器，

图3示出了发光二极管芯片的示意性截面图，

图4示出了根据第一实施例的光源和光学元件的一部分的示意性截面图，

图5示出了根据第二实施例的光源和光学元件的一部分的示意性截面图，

图6示出了根据第三实施例的光源和光学元件的一部分的示意性截面图，

图7示出了根据第四实施例的光源和光学元件的一部分的示意性截面图，

图8示出了根据第五实施例的光源和光学元件的一部分的示意性截面图，

图9示出了根据第一实施例的光源的发光二极管芯片的设置的示意性俯视图，

图10示出了根据第二实施例的光源的示意性截面图，

图11示出了根据第三实施例的光源的示意性截面图，

图12示出了根据第四实施例的光源和根据第一实施例的光学元件的示意性透视图，

图13示出了根据第二实施例的光学元件的示意性透视图，

图14示出了根据第五实施例的光源和第三实施例的光学元件的示意性透视图，

图15示出了根据第六实施例的光源和根据第四实施例的光学元件的示意性透视图，

图16示出了根据第七实施例的光源和根据第五实施例的光学元件的示意性透视图，

图17示出了根据第六实施例的光学元件的示意性透视图，

图18示出了根据第八实施例的示意性透视图，

图19示出了根据第九实施例的光源的示意性透视图，

图20示出了根据第十实施例的光源的示意性透视图，

图21示出了根据第十一实施例的光源的示意性透视图，

图22A示出了根据第十二实施例的光源的示意性透视图，

图22B示出了图22A中所示的光源的俯视图，

图23示出了根据第十三实施例的光源和根据第七实施例的光学元件的示意性透视图，

图24示出了根据第十四实施例的光源的示意性透视图。

图25示出了根据第十五实施例的光源的示意性透视图，

图26示出了根据第十六实施例的光源的示意性透视图，

图27示出了根据第十七实施例的光源的示意性透视图，

图28示出了根据第十八实施例的光源和根据第八实施例的光学元件的示意性透视图，

图29示出了根据第一实施例的光源的壳体的示意性透视图，

图30示出了根据第二实施例的光源的壳体的示意性透视图，

图31示出了根据第三实施例的光源的壳体的示意性透视图，

图32示出了根据第四实施例的光源的壳体的示意性透视图，

图33A示出了根据第九实施例的光学元件的示意性透视图，

图33B示出了根据第十实施例的光学元件的示意性透视图，

图33C示出了根据第十九实施例的光源和根据第十一实施例的光学元件的示意性透视图，

图34A示出了根据第十二实施例的光学元件的示意性透视图

图34B示出了根据第十三实施例的光学元件的示意性透视图，

图34C示出了根据第十四实施例的光学元件的示意性透视图，

图34D示出了根据第十五实施例的光学元件的示意性透视图，

图35示出了根据第二十实施例的光源和根据第十六实施例的光学元件的示意性透视图，

图36示出了根据二十一实施例的光源和根据第十七实施例的光学元件的示意性透视图，

图37示出了根据第十八实施例的光学元件的示意性透视图，

图38示出了根据第十九实施例的光学元件的示意性透视图，

图39示出了根据第二十实施例的光学元件的示意性透视图，

图40示出了光强与在图39中所示的光学元件后和在图37中所示的光学元件后的光路中所测量的、距光学轴线的距离相关的曲线图。

在这些实施例和附图中，相同或者作用相同的组成部分分别标有相同的参考标记。附图的所示元件不必视为符合比例的，更准确地说，为了更好的理解它们可被部分夸大地表示。

图1中所示的投影设备包括光源2、光学元件1以及光调制器3。当然，投影设备4还可以具有各种其它元件，然而出于清楚的原因而省去。

光源2、光学元件1和光调制器沿投影设备4的光路设置，其中光路不必直线地分布，而是例如可借助转向元件任意转向和/或借助分束器被一次或多次地分束。

光源2具有多个发光二极管芯片21，其中可替换地可以使用唯一的发光二极管芯片21，该发光二极管芯片具有相应于多个发光二极管芯片在一起那样大的辐射耦合输出面。发光二极管芯片具有最大辐射角β，其中最大辐射角β优选为这样的角度：在该角度下在一方向还发射了发光二极管芯片21在其主辐射方向所发射的辐射功率的至少0.5％。发光二极管芯片例如为薄膜发光二极管芯片，薄膜发光二极管芯片良好近似地具有90°的最大辐射角β。

在图3中示出了薄膜发光二极管芯片的示意性截面图。它具有薄膜层211，该薄膜层例如具有小于或者等于20μm的厚度，例如9μm的厚度。

在主面上，薄膜层211基本上整面地设置有反射器216。薄膜层211施加在支承元件215上，使得反射器216朝向该支承元件并且例如紧靠支承元件215。支承元件215例如为支承衬底。替换地，也可能的是，支承衬底215不是发光二极管芯片21的组成部分，而是薄膜层211以反射器216被施加到其上的侧直接施加到芯片安装面上，例如施加到芯片壳体或者其他的芯片支承体的芯片安装面上。

薄膜层包括半导体层序列，例如具有n型掺杂区域212、发射电磁辐射的有源区213和p型掺杂区域214。

在薄膜发光二极管芯片中，在大于90°的辐射角下发射在本发明的意义上基本上大小可忽略的辐射强度。

光调制器3具有光接收区域31，参见图2。它例如是具有多个微镜的微镜芯片(Mikrospiegelchip)，这些微镜可彼此独立地绕至少一个轴线倾斜，使得通过镜的倾斜例如可以将待投影的图像的单个像素调亮或者调暗。光接收区域受微镜限定，即其外轮廓沿设置在微镜芯片外围的微镜的外边缘分布。

作为微镜芯片的可替换方案，光调制器3例如也可以为微液晶显示器(Mikro-LCD-Display)，其中光不是通过小的镜的倾斜而是通过接通和断开滤波器来调制。另一种可能性是使用用于光调制器的所谓LCOS(硅基液晶Liquid Crystal on Silicon)。

光接收区域31例如具有矩形的待照亮横截面，然而该横截面也可以是正方形的或者以任意其它方式成形。光接收区域31的矩形横截面具有大小例如为0.5英寸或者0.8英寸的对角线32，其中1英寸相应于25.4mm。待照亮横截面的宽度与其长度比例如为3∶4或者9∶16。

光调制器3的光接收区域31具有最大接收角α，参见图1。在微镜芯片中，该角度例如相应于微镜偏离平面位置的最大可倾斜的角度。该角度例如为+/-12°、+/-14.5°或者+/-15°。最大接收角的可能值例如在10°到20°之间(包括两个端点)。

以大于最大接收角α的角度射到光接收区域31上的光不能被调制或者不能以所设置的方式来调制。因此，重要的是，通过光学元件尽可能大地降低由光源2发射的光锥22的发散，使得至少大部分光以小于最大接收角α的角度射在光调制器3的光接收区域31上。光锥体22例如以小于或者等于20°的最大角γ从光学元件1出射。角度γ为例如12°。

对于发光二极管芯片21的数量N，适用以下公式：

0,7＊(A_M＊sin²(α))/(A_D＊sin²(β)＊n²)≤N≤1,3＊(A_M＊sin²(α))/(A_D＊sin²(β)＊n²).

当为光源2设置使用确定大小的发光二极管芯片21时，则根据该关系式可以确定发光二极管芯片的数量N的可能值，利用这些发光二极管芯片可以尽可能有效地利用由发光二极管芯片发射的辐射。替换地，也可以固定地预给定发光二极管芯片21的数量N，并按照上面的关系式确定发光二极管芯片的可能尺寸或发光二极管芯片21的辐射耦合输出面的可能的大小。

在上面的关系式中，n使用什么值取决于发光二极管芯片的辐射耦合输出受相应装置影响的程度。

如果在发光二极管芯片与光学元件间的光路中存在间隙，并且发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D没有耦合介质，则n＝1。在图4中示出了针对此的例子，在该图中发光二极管芯片21(尤其是其辐射耦合输出面)基本上没有封装材料或者耦合材料。

封装材料或者耦合材料例如应理解为一种介电材料，该介电材料对发光二极管芯片21发射的辐射是可穿透的，并具有优选与发光二极管芯片21的半导体材料的折射率相应的折射率，使得显著地降低了半导体材料与周围介质之间的边界面上的菲涅耳损耗和全反射。

菲涅耳损耗是由于边界面上的反射引起的损耗，在边界面上存在折射率跃变。典型的例子是例如在电磁辐射入射到光学元件或者从光学元件出射时空气与电介材料之间的折射率跃变。

在发光二极管芯片21与光学元件1之间存在间隙5，例如空气间隙。

可替换地，间隙5也可以填充有其它气体，而同样也可能的是在间隙5中为真空。

在图5中所示的结构中，在光学元件1与发光二极管芯片21之间同样存在空气间隙5。然而，与图4中所示的发光二极管芯片21不同，图5中所示的发光二极管芯片设置有封装材料24，尤其是发光二极管芯片借助封装材料24完全被封装并且因此免受外部影响(如湿气)的损害。然而，只要在发光二极管芯片21的主辐射面上具有小于或者等于发光二极管芯片的最大横向伸展的0.2倍厚度241，该封装材料24就不是本发明意义上的耦合材料。

在矩形发光二极管芯片中，两个水平的芯片边长中较长的一个相应于发光二极管芯片的横向伸展。通常，发光二极管芯片的彼此对置的、水平延伸的边的最大距离可选择作为发光二极管芯片的最大横向伸展。

在具有如1mm的水平芯片边长的方形发光二极管芯片中，只要封装材料24基本上平坦地覆盖发光二极管芯片、尤其是其辐射耦合输出面，封装材料24就不应理解为在本申请意义上的耦合介质。特别优选的是，封装材料24实施得尽可能地薄，尤其是厚度241小于或者等于200μm是有利的。在这样的条件下，封装材料24不是在本申请的意义上的耦合介质。

相反，如果厚度大于200μm，则封装材料24可视为耦合介质，这导致n的值可被设置等于封装材料24的折射率。

在图6至8中，描述了耦合介质6的其它例子。在图6中所示的实施例中，耦合介质例如由耦合材料构成，发光二极管芯片21借助该耦合材料以光学方式耦合到光学元件1的介电基本体上。耦合材料例如为透射辐射的胶，该胶的折射率匹配于光学元件1的介电体的折射率，或者匹配于发光二极管芯片21的半导体材料的折射率，或者在这两种材料的折射率之间。替换该胶，例如也可以使用环氧树脂或者类似漆的材料。

耦合材料6的折射率优选在光学元件1的介电体的折射率与发光二极管芯片21的半导体材料的折射率之间。重要的是，折射率显著大于1。例如，一种耦合材料被用于耦合介质，该耦合材料的折射率大于1.3，优选大于1.4。对此，例如可考虑硅树脂。但是，其他物质如液体作为耦合介质也是可能的。例如水具有大于约1.3的折射率并基本上适于作为耦合介质。

在图7中所示的实施例中，耦合介质6由耦合元件组成，这些耦合元件形成在发光二极管芯片21上。例如，透镜式的元件施加在发光二极管芯片21的主辐射面上，这些元件例如由环氧树脂或者含硅树脂的材料构成，并且借助它们提高来自发光二极管芯片21的辐射耦合输出以及进入光学元件1的电磁辐射的辐射耦合输入。

在影响发光二极管芯片发射的辐射锥的光学扩展量方面，图6中所示的透镜式的元件起到类似于图6中所示的耦合介质的作用。透镜式的元件为用于发光二极管芯片21的非平面或者不平的覆盖层，该覆盖层负责增大发光二极管芯片21的光学扩展量。光学扩展量的增大约为透镜式的元件的折射率的平方。就此而言，透镜式的元件的作用与前面参照图6所述的耦合材料相似。然而，不同在于，在使用不平的覆盖层时，如使用图7中所示的那样的覆盖层的情况下，在辐射从不平的覆盖层出射时和在辐射入射到光学元件中时还出现了额外的菲涅尔损耗。

在图8中所示的实施例中，耦合介质6由薄层粘合材料组成，借助该粘合材料，发光二极管芯片21直接安装在光学元件1的光路上并且以光学方式耦合到光学元件1上，与在上面参照图6所阐述的实施例类似。

0,7＊(A_M＊sin²(α))/(A_D＊sin²(β)＊n²)≤N≤1,3＊(A_M＊sin²(α))/(A_D＊sin²(β)＊n²)

在下表中说明了用于确定数N、x和y的例子。光接收区域分别具有12°的最大接收角α。其中使用了具有90°的最大发射角β和1mm的芯片边长的方形薄膜发光二极管芯片。发光二极管芯片没有耦合介质，并且在发光二极管芯片与光学元件之间存在空气间隙，使得n＝1。

薄膜层具有10μm的厚度，使得其侧面产生0.04mm²面积。然而，通过这些侧面发射小于发光二极管芯片的全部辐射的1％，因此它尤其是在本例子中可予以忽略。所以，辐射耦合输出面A_D在该例子中设置为1.0mm²。替换地，可考虑薄膜层的侧面，使得A_D在该例子中应为1.04mm²。然而优选忽略侧面。

“Qu.N”代表(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)的商，“Qu.x”代表(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)的商，以及“Qu.y”代表(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)的商。

	l<sub>M</sub>[mm]	b<sub>M</sub>[mm]	Qu.N	Qu.X	Qu.y	N	x	y
									1.	10,16	7,62	3,35	1,58	2,11	4	2	2
2.	11,10	6,23	2,98	1,29	2,3	3	1	3
									3.	16,26	12,19	8,57	2,53	3,38	9	3	3
4.	16,26	12,19	8,57	2,53	3,38	6	2	3
									5	17,71	9,96	7,63	2,07	3,68	6	2	3
6.	17,71	9,96	7,63	2,07	3,68	8	2	4

在例1和2中，涉及0.5英寸光调制器，即光接收区域的横截面对角线为0.5英寸，其中1英寸等于25.4mm。在例1中，光接收区域的横截面的宽度与长度比为3∶4，在例2中比例为9∶16。令人意想不到的是，发光二极管芯片的数量N在例1中得到仅仅3.22+/-30％的可能的值域，在考虑到长度和宽度的情况下对于N，4为合适的值，针对x和y合乎目的地分别选为2，即二乘二的发光二极管芯片矩阵例如在本发明的意义上是有效的。

在例2中，对N得到2.86+/-30％的可能值域，该值域允许了N的更小的值。例如在此可以使用一乘三的发光二极管芯片矩阵。

在例3至6中分别涉及0.8英寸的光调制器，其中例3和4中的光接收区域横截面的宽度和长度具有3∶4的相互比例，而例5和6中比例为

当数量N被预给定并且发光二极管芯片的大小参照上面的关系式相应地被计算时，可对系统进行特别合乎目的的优化。例如，对于具有宽长比为3∶4和最大接收角为12°以及芯片预给定数量为4个的0.5英寸光调制器，得到1.06mm的芯片边长和0.8mm的芯片边宽，即具有矩形形状的芯片。在发光二极管芯片的预给定数量为6个且最大接收角为15°的情况下，在这样的光调制器中例如得到芯片边长为1.0mm而芯片边宽为0.875mm。

这些例子分别适用于n＝1，即发光二极管芯片没有耦合介质。如果发光二极管芯片设置有折射率为n＝2的材料的耦合介质，则上面所计算的芯片长度和宽度将仅仅只有一半大。在这样的情况下，使用明显更小的发光二极管芯片就更有效。

以下，针对薄膜层的侧面未被忽略的情况(即A_D等于1.04mm²)绘出上表。对值“Qu.N”得到仅仅微小的差别，然而在该例子中这不会影响结果，即N的选择可能性。

	l<sub>M</sub>[mm]	b<sub>M</sub>[mm]	Qu.N	Qu.X	Qu.y	N	x	y
									1.	10,16	7,62	3,22	1,58	2,11	4	2	2
2.	11,10	6,23	2,86	1,29	2,3	3	1	3
									3.	16,26	12,19	8,24	2,53	3,38	9	3	3
4.	16,26	12,19	8,24	2,53	3,38	6	2	3
									5.	17,71	9,96	7,33	2,07	3,68	6	2	3
6.	17,71	9,96	7,33	2,07	3,68	8	2	4

图10中所示的光源包括至少一个发光二极管芯片21，该发光二极管芯片21施加在支承体23上。光源的支承体23包括芯片支承体232，在芯片支承体上(例如借助焊接)安装有发光二极管芯片21。芯片支承体例如由电绝缘的材料构成，该材料优选具有高导热性。它例如具有硅、氮化铝、碳化硅、氮化硼、表面被氧化的硅、金刚石、塑料碳纤维化合物、玻璃碳纤维化合物和/或玻璃金刚石颗粒化合物。

芯片支承体232施加在导热的衬底231上。该衬底例如具有导电的材料或者由这种材料构成。可能的材料例如是铜、铝、镁和/或CMC(铜-钼-铜-层序列)。导热的衬底231用作由发光二极管芯片21在其工作时产生的热的散热装置。芯片支承体232由导热良好的材料构成，并且优选直接与导热的衬底231相连。

在芯片支承体232上例如构造有金属化物(Metallisierungen)，借助该金属化物例如形成芯片接触面和/或导线，用于接触发光二极管芯片21。发光二极管芯片21的电连接侧可以导电地与导热的线231相连，使得其附加地起到电极的作用。

可替换地，导热的衬底设置有电绝缘层239，在该电绝缘层上又施加有薄层导电材料，该材料例如借助刻蚀结构化成导线，参见图19、20、21。优选地，电绝缘层与薄导电层一个区域中分开，在该区域中带有芯片支承体的发光二极管芯片21被直接安装于导热的衬底上。通过这样的方式显著提高了发光二极管芯片的散热和发射效率。与芯片支承体施加在绝缘层上的情况相比，可实现将所发射的辐射强度提高35％。具有这种结构的光源例如分别表示在图19至21中。

在图11中所示的实施例中，光源包括DCB支承体(直接铜键合，DirectCopper Bonding)。DCB支承体包括支承体芯233，支承体芯设置有导电的外罩234。外罩234例如具有铜或者由铜构成。支承体芯233优选由电绝缘的材料构成，使得导电的外罩可被结构化并且由此可成形为用于光源2或者用于发光二极管芯片21的导线。

支承体芯233例如具有材料AlN、Al₂O₃、SiC、BN、金刚石、玻璃纤维化合物、塑料纤维化合物、碳纤维化合物、玻璃金刚石化合物中的至少之一，或者由上述材料中的至少一种构成。支承体芯233的特别优选的材料为氮化铝和/或氧化铝。

在图12中所示的结构中，光源2构造为光源模块，光源模块具有对应插头25，使得光源2借助相应的插头可以以简单的方式电连接。光源的支承体23例如像上面参照图11所述的那样来构造。外罩材料234成形为电导线26，发光二极管芯片借助这些导线与对应插头25导电地相连。

此外，光源2的电路包括部件27，该部件提供对发光二极管芯片的静电放电的保护(ESD保护)。这些部件27例如为电压敏电阻、电容器或者二极管。它们例如与发光二极管芯片并联或者反向并联地(针对部件(例如二极管)的可能的导通方向)相连。此外，光源2的支承体23还包括安装孔28，例如在使用固定销和相应固定元件的情况下，光源模块可以借助安装孔技术上简单地以机械方式安装。

在发光二极管芯片之上，多个光学元件1设置在光源2上，光学元件例如彼此一体式地构造。光学元件1构造为CPC型并且具有基本体11，基本体为每个光学元件1限定单独的空腔，并且空腔的内壁对光源发射的辐射是反射的。

光源2的每个发光二极管芯片例如都分配给唯一的光学元件1。光学元件的、朝发光二极管芯片的辐射输入端具有辐射输入口，辐射输入口的侧例如小于或等于发光二极管芯片的相应水平边长的1.5倍，优选小于或等于边长的1.25倍。如果将这种小的辐射输入端尽可能地靠近发光二极管芯片设置，则可以以有效的方式降低由发光二极管芯片发射的辐射的发散，并产生具有高亮度的辐射锥。

代替每个发光二极管芯片分配有唯一的专用光学元件1，也可以为多个发光二极管芯片21设置有光学元件1，如图13中所示的光学元件1。光学元件也可以构造为CPC型并且具有基本体11，基本体限定具有反射的内壁的空腔。例如为六个发光二极管芯片21设置有光学元件1。

为了实现尽可能高的效率，发光二极管芯片21应该尽可能彼此靠近地设置。相邻发光二极管芯片21例如具有彼此之间小于或等于50μm的距离。特别优选地，相邻发光二极管芯片彼此之间基本上没有间距。

光学元件1的辐射输入端和辐射输出端例如分别具有矩形形状。可替换地，辐射输入端例如也可以具有基本上方形的横截面。如果想要利用这种为多个发光二极管芯片设置的光学元件，以实现像利用多个分别分配给唯一的芯片的光学元件那样相同的发散的降低，则该光学元件必须具有比多个光学元件明显更大的长度。

当由光学元件1发射的光锥体要具有最大的张角θ时，则这始终要求类似聚能器构造的光学元件具有一定的最小长度，该最小长度与辐射输入端的相应伸展相关联。对理想的紧凑抛物线聚能器适用以下公式：

l＝a/2(1+Sinθ)＊cos(θ)/sin²(θ)

其中l为光学元件1的最小长度。对15°的最大张角，光学元件1的长度例如必须为辐射输入端的长度的9倍。对于约9°的最大张角，该因数为大约23，并且对20°的张角需要5.5倍的长度。按照聚能器的具体实施形式，最小长度l可替换地也可以视为最佳长度，其中尤其也可低于该最小长度，例如低于10％或20％。

因此，光学元件1的光输入端越小，则光学元件沿其光轴的长度也可以越小，以便实现对所发射的光锥的确定的最大辐射角。相反，如果光学元件为多个发光二极管芯片而设置，也即如果它具有相应更大的辐射输入端，则光学元件的安装相对于发光二极管芯片较为不重要。特别优选地，每个光源设置至少两个光学元件，它们相应地分配有多个发光二极管芯片。

光学元件在辐射输出端的侧上优选具有基本上矩形的横截面。通过这样的方式，光锥的横截面可以这样地成形在光学元件中，使得横截面至少部分与光调制器的光接收区域的横截面相匹配。

根据一种实施形式，光学元件具有带方形横截面的辐射输入端。这是针对发光二极管芯片23的方形布置来设置的，如其例如分别在图24至27中所示的、具有2×2的发光二极管芯片那样。可替换的是，辐射输入端的横截面例如也可以是矩形。

附加地或者可替换地，光学元件沿第一平面具有例如11.5°的第一最大辐射角，而沿第二平面具有例如15.5°的第二最大辐射角。为此，在辐射输入端侧，方形横截面可以在向辐射输出端走向的过程中例如过渡到矩形横截面，矩形横截面具有例如10乘7.5mm的伸展。尤其是，光学元件的第一对彼此对置的反射面在此具有比第二对彼此对置的反射面更为陡峭的曲线。例如，图16中或者图33B中所示的光学元件1构造成这样的类型。

作为CPC型的聚能器的替换方案，光学元件1例如具有侧壁，侧壁以直线从辐射输入端向辐射输出端延伸。这类光学元件1的例子表示在图15、28、33C和34D中。

涉及具有截顶锥形的基本形状的介电聚能器或者具有基本体11的聚能器，基本体限定了相应的空腔。在这类聚能器中，辐射输出端优选设置有球形或者非球形透镜，或者以这类透镜的方式向外弯曲。

与球形弯曲相比，非球形弯曲的优点是非球形弯曲例如随着距光学元件1的光轴的距离增加而减小。通过这样的方式，考虑了下面的情况：其发散可由光学元件1减小的辐射锥不是点状的发光二极管芯片，而是具有一定伸展的辐射源。

这种光学元件与CPC型光学元件相比具有如下优点：利用它可以类似地降低辐射锥的发散，同时显著降低光学元件1的总高度。这类光学元件的另一优点是，其笔直的侧面可更为简便地借助注射压缩成型方法、例如注塑或者压铸来制造，而构造弯曲的侧面(如CPC型聚能器中那样)是比较困难的。

在光学元件1构造为具有基本体11的空腔反射器的情况下，通过基本体11固定在光源2上或者相对于光源2来定位。

其中光学元件构造为空腔反射器的实施例表示在图12、13、33B、34B和34C中。

相反，如果光学元件1构造为介电聚能器类型，则通常需要额外的固定装置，以便将光学元件1定位在光源2上或者相对于光源2定位。以介电聚能器方式构造的光学元件的例子表示在图14至17、23、28、33A、33C、34A和34D中。

图23、28和14至16中所示的光学元件具有保持元件12，保持元件在一个或多个光学元件1的辐射输出端附近从介电基本体13延伸出，侧向从基本体突出并且与基本体13间隔地在辐射输入方向上延伸。

保持元件12例如可以包括柱状元件，光学元件设在柱状元件上并且因此可相对于光源2定位，例如参看图15和16。可替换地，保持元件12也可以具有壁状的支承部，支承部至少部分侧向包围光学元件，参看例如图14和23。

作为保持元件12的替换方案，光学元件1也可以借助单独的保持装置来安装和定位。例如它可插入单独的框架中。

发光二极管芯片例如安装在芯片壳体235中，如其示例性地表示在图29至32中那样。芯片壳体235例如安装在支承体23和光源2上，或者它们本身已经构成光源2，该光源可以导电地接触并且在工作时发射电磁辐射。其中一个或者多个芯片壳体235安装在支承体23上的光源2的例子表示在图18至28中。

芯片壳体235包括芯片支承体232以及壳体框架236。芯片支承体232具有金属化物，金属化物形成至少一个(优选多个)芯片连接区域237以及电导线238。在两个彼此对置的侧上，芯片支承体232没有框架材料，使得导线238可接入这些位置并且因此可导电地接触。

芯片壳体235单片地形成，使得壳体框架236和芯片支承体232成形为单层的部分。例如在将陶瓷材料用作芯片壳体材料的情况下，如果还在陶瓷材料被焙烧并因此硬化之前，将框架236设置在芯片支承体232上，则上述情况是可能的。在随后的焙烧过程中，框架236与芯片支承体232连接成为共同的部分。这可以通过在未焙烧的状态下使这两个部分彼此挤压来辅助。

可替换地，芯片支承体232和框架236分别单独地构造。壳体框架236在这样的情况下例如粘合在芯片支承体232上。

芯片支承体232和/或壳体框架236例如具有氮化铝、氧化铝、玻璃陶瓷、玻璃和/或金属。框架可以由塑料构成或者具有这样的塑料：该塑料具有类似芯片支承体232的材料的热膨胀系数，并且优选用反射良好的材料来涂敷。原则上，框架优选或者用白色来着色或者用白色或其它反射的材料来涂敷。

芯片接触区域237和导线238例如由金属涂层例如由金涂层构成。例如表示在图29和32中的芯片壳体就是这种情况。

图30中所示的芯片壳体235具有芯片接触区域237，芯片接触区域由焊料构成。例如芯片接触区域分别由多个小的焊料凸起限定。

导线238例如具有铝，或者由铝构成。这样的优点是，铝对芯片接触区域237的焊料起到焊接断点(Lotstopp)的作用。

图31中所示的芯片壳体235具有带有多个段的导线238，这些段由不同的材料构成。第一段2381例如具有铝，铝可以起到焊接断点的作用，而第二段2382具有另一种金属，例如金。通过第一段2381例如可以降低短路的危险。此外，焊接断点可以避免为安装发光二极管芯片而设置的焊料浸湿导线并且在此例如损坏或者溶解金接触物。

壳体框架适合于为安装在芯片壳体235中的发光二极管设置填料。对此，芯片框架的内部区域例如至少部分填充有填料。填料一方面用于封装发光二极管芯片21，并且因此保护其免受外部影响。然而附加地或者可替换地，该物质也可以用作一种或者多种发光物质的基体材料，使得填料形成发光转换元件。可替换地，薄层中的发光转换元件直接施加在发光二极管芯片的辐射耦合输出面上。

优选地是，光源的不同发光二极管芯片设置有不同的发光转换元件，即发光转换元件具有不同的发光物质或者发光物质混合物。例如四个发光二极管芯片21中的一个设置有发射蓝色光的发光物质，一个设置有发射红色光的发光物质以及两个设置有发射绿色光的发光物质，其中发射绿色光的发光物质可以是相同的发光物质。

代替发射蓝色光的发光物质，也可以使用发射蓝色光的发光二极管，发光二极管未设置发光转换材料。

在使用发光物质的情况下，可以使用发光二极管芯片，发光二极管芯片发射电磁辐射，电磁辐射的波长至少部分在可见光谱外。例如，发光二极管芯片基于AlInGaN并在其工作时发射紫外区域中的电磁辐射。

所有对在LED应用中所公开的转换器都适于发光转换元件。这类适于作为转换器的发光物质和发光物质混合物的例子是：

-氯硅酸盐，如在DE 10036940和在那里所描述的现有技术中所公开，

-正硅酸盐、硫化物、含硫金属和钒酸盐，如在WO 2000/33390和在那里所描述的现有技术中所公开，

-铝酸盐、氧化物、卤化磷酸盐，如在US 6616862和在那里所描述的现有技术中所公开，

-氮化物、Sione和硅铝氧氮陶瓷(Sialone)，如在DE 10147040和在那里所描述的现有技术中所公开，

-稀土的石榴石如YAG:Ce和碱土元素，如在US 2004-062699和在那里所描述的现有技术中所公开。

在图22A至23中所示的光源2例如具有发光二极管芯片21，发光二极管芯片浇注成上面所述类型。图中所示的芯片壳体235的壳体框架具有如此成形的凹处，使得凹处用作调整在发光二极管芯片21上的光学元件1的调节辅助装置。

芯片框架的凹部具有方形或者矩形的基本形状，其中方形或者矩形的角与圆形、例如圆环的形状重叠，使得光学元件1的边可以以技术上简单的方式引入壳体框架中，并且在此通过凹处的圆形扩宽来实施。

可替换地，光学元件1也可以构造为具有恒定的横截面的光导体，如在图38中所示的那样。或者构造为具有朝光输出端增大的横截面的光导体，如在图37中所示的那样。尤其是当光源具有发射不同颜色光的发光二极管芯片21和/或发射不同颜色光的发光转换元件时，光导体用于混合光源2的光并且导致更为均匀照明的光锥。

特别优选的是，光导体的辐射输出端例如借助投影透镜来映射，因为光锥在该位置上通过光导体而被大程度地混合。与此相对，随着距光导体的距离增加可观察到光锥的分裂增加。

光导体例如具有偶数多边形的横截面。它尤其是具有笔直分布的子面，子面从光输入端延伸到光输出端。光导体也可以设置有保持元件12，保持元件在光输入端侧从基本体侧向延伸出，并且与基本体间隔地在支承状的构造中朝着光输入端的方向延伸。基本体和保持元件12优选由同一材料构造，并且特别优选单层地构造。

在图40中形象地说明了保持元件12对来自光导体的辐射发射有哪些影响。图中绘制了与距光导体的光轴的距离相关的光强分布，其中实线表示对在不带保持元件的光导体后(如在图37中所示的那样)的光路中的辐射强度的测量，而虚线表示在使用带有保持元件12的光导体的情况下(如在图39中所示)对亮度的测量。从曲线可了解到保持元件12对用于混合的光导体的辐射耦合输出没有显著影响。

图36也示出了具有保持元件的混合器。在图35所示的实施例中，光导体1具有立方体状的形状。不同于上面所讨论的例子，在该光学元件中保持元件在光输入端附近从光导体的基本体延伸出。

当图14至16、18、19、28、33C和36所示的光源2具有对应插头25，用于借助相应的插头电接触光源时，图20和21中所示的光源2替代地包括多个电接触管脚29，然而它们同样是适合使光源2与一个或者多个相应插头电连接。

在图22A至23以及35中示出了另一种变形方案。在这些图中所示的光源2中，设置通过电接触面291导电地连接这些光源。这例如借助焊接来实现。

各种在本申请中所描述的特征和元件并不限于使用在投影设备中，虽然它们尤其在投影设备中一起协同地起作用。各种特征和元件可以各分别表示一个独特的发明并且适于使用在不同其他领域中。这样，光源2例如也可以用于前灯应用或者用于通用照明。这样的光学元件已经可以作为独特的发明并且针对不同的目的来使用。同样的也适用于发光转换元件的设置或者应用，或者用于光源支承体的结构，也适用于芯片壳体、光源中的发光二极管芯片的设置或者光学元件的设置。

本发明并不受参照实施例的说明限制。更准确地说，本发明包括任何新的特征以及这些特征的新的组合，这尤其是包含权利要求中的特征任意组合，即使这些特征或者组合本身并未明确地说明在专利权利要求或者实施例中。

Claims (50)

1.一种投影设备，具有光调制器以及至少一个光源，所述光调制器具有光接收区域，所述光接收区域具有大小为A_M的待照亮的横截面和对于入射光的最大接收角α，借助所述光源在工作时产生用于照亮所述光接收区域的横截面的光锥，并且所述光源具有数量为N的发光二极管芯片，所述发光二极管芯片具有大小为A_D的辐射耦合输出面和最大辐射角β，其特征在于，

-在所述发光二极管芯片与所述光调制器之间的光路中设置有至少一个光学元件，

-在所述发光二极管芯片与所述光学元件之间的光路中存在间隙，所述间隙填充有气体，

-所述发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D没有耦合介质，并且

-0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)，其中n＝1。

2.根据上一权利要求所述的投影设备，其特征在于，所述发光二极管芯片具有薄膜层，所述薄膜层带有发射电磁辐射的有源区，所述有源区没有生长衬底并且在与主辐射面背离的侧上设置有反射器。

3.根据权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述光调制器的光接收区域的横截面A_M具有长度l_M和宽度b_M，所述薄膜层的主辐射面具有长度l_D和宽度b_D，所述发光二极管芯片设置成x行和y列的矩阵，其中：

0.7*(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)≤x≤1.3*(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)，并且

0.7*(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)≤y≤1.3*(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)。

4.根据权利要求3所述的投影设备，其特征在于，数量N或者数x或y的值等于相应商上舍入或下舍入到的相邻整数，其中所述商为(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)、(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)或(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)。

5.根据权利要求3或4所述的投影设备，其特征在于，数量N或者数x或y的值等于相应商上舍入或者下舍入到的相邻偶数。

6.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，所述发光二极管芯片的主辐射面具有矩形的形状。

7.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，多个发光二极管芯片被共同分配有一个光学元件。

8.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，所述发光二极管芯片分成至少两组，它们分别分配有专用的光学元件。

9.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，在所述发光二极管芯片的至少一部分后设置有发光转换元件。

10.根据权利要求9所述的投影设备，其特征在于，在所述光源的不同发光二极管芯片之后设置有不同的发光转换材料。

11.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件以非成像光学聚能器的方式构造，所述光学聚能器被用于降低由光源发射的光的发散。

12.根据权利要求11所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件是CPC型、CEC型或者CHC型聚能器。

13.根据权利要求11所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件的反射面部分构造为自由面。

14.根据权利要求11所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件的反射面完全构造为自由面。

15.根据权利要求11所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件具有侧壁，所述侧壁将辐射输入端与辐射输出端相连，并且所述侧壁构造为使得在所述侧壁上分布的、在所述辐射输入端与所述辐射输出端之间的直接连线笔直地走向。

16.根据权利要求11所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件具有基本体，所述基本体限定一空腔，并且所述空腔的内壁至少对所述光源发射的光的部分光谱区域是反射的。

17.根据权利要求11所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件以介电聚能器的方式构造，其基本体为具有合适折射率的介电材料的完全体，使得耦合进所述光学元件中的光通过在所述完全体的侧边界面上的全反射向周围的介质反射，其中所述侧边界面将辐射输入端与辐射输出端相连。

18.根据权利要求11所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件具有辐射输出端，所述辐射输出端带有透镜式的成拱形的边界面。

19.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件构造为具有恒定横截面或者具有朝所述光输出端增大的横截面的光导体，用于光的混合；或者在所述光学元件之后在所述光路上设置有至少一个这样的光导体。

20.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件构造为具有朝所述光输出端增大的横截面的光导体，用于光的混合；或者在所述光学元件之后在光路上设置有至少一个这样的光导体。

21.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，相邻发光二极管芯片的一部分或者所有相邻发光二极管芯片彼此之间具有小于或者等于300μm且大于或者等于0μm的距离。

22.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，相邻发光二极管芯片的一部分或者所有相邻发光二极管芯片彼此之间具有小于或者等于100μm且大于或者等于0μm的距离。

23.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件在一侧具有矩形的横截面，其中该侧是所述光学元件具有辐射输出端的侧。

24.根据权利要求1或3所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件沿第一平面具有第一最大辐射角，而沿第二平面具有第二最大辐射角，所述第二最大辐射角不同于所述第一最大辐射角。

25.根据权利要求24所述的投影设备，其特征在于，所述第一最大辐射角在大于或等于10°与小于或等于13°之间，而所述第二最大辐射角在大于或等于13°到小于或等于18°之间。

26.一种投影设备，具有光调制器以及至少一个光源，所述光调制器具有光接收区域，所述光接收区域具有大小为A_M的待照亮的横截面和对于入射光的最大接收角α，借助所述光源在工作时产生用于照亮所述光接收区域的横截面的光锥，并且所述光源具有数量为N的发光二极管芯片，所述发光二极管芯片具有大小为A_D的辐射耦合输出面和最大辐射角β，其特征在于，

-在所述发光二极管芯片与所述光调制器之间的光路中设置有至少一个光学元件，

-所述发光二极管芯片的辐射耦合输出面A_D设置有耦合介质，

-0.7*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)≤N≤1.3*(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)，

其中n等于所述耦合介质的材料的折射率。

27.根据权利要求26所述的投影设备，其特征在于，所述发光二极管芯片具有薄膜层，所述薄膜层带有发射电磁辐射的有源区，所述有源区没有生长衬底并且在与主辐射面背离的侧上设置有反射器。

28.根据权利要求27所述的投影设备，其特征在于，所述光调制器的光接收区域的横截面A_M具有长度l_M和宽度b_M，所述薄膜层的主辐射面具有长度l_D和宽度b_D，所述发光二极管芯片设置成x行和y列的矩阵，其中：

0.7*(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)≤x≤1.3*(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)*n)，并且

0.7*(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)≤y≤1.3*(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)*n)。

29.根据权利要求28所述的投影设备，其特征在于，数量N或者数x或y的值等于相应商上舍入或下舍入到的相邻整数，其中所述商为(A_M*sin²(α))/(A_D*sin²(β)*n²)、(l_M*sin(α))/(l_D*sin(β)×n)或(b_M*sin(α))/(b_D*sin(β)×n)。

30.根据权利要求28或29所述的投影设备，其特征在于，数量N或者数x或y的值等于相应商上舍入或者下舍入到的相邻偶数。

31.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，所述发光二极管芯片的主辐射面具有矩形的形状。

32.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，多个发光二极管芯片被共同分配有一个光学元件。

33.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，所述发光二极管芯片分成至少两组，它们分别分配有专用的光学元件。

34.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，在所述发光二极管芯片的至少一部分后设置有发光转换元件。

35.根据权利要求34所述的投影设备，其特征在于，在所述光源的不同发光二极管芯片之后设置有不同的发光转换材料。

36.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件以非成像光学聚能器的方式构造，所述光学聚能器被用于降低由光源发射的光的发散。

37.根据权利要求36所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件是CPC型、CEC型或者CHC型聚能器。

38.根据权利要求36所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件的反射面部分构造为自由面。

39.根据权利要求36所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件的反射面完全构造为自由面。

40.根据权利要求36所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件具有侧壁，所述侧壁将辐射输入端与辐射输出端相连，并且所述侧壁构造为使得在所述侧壁上分布的、在所述辐射输入端与所述辐射输出端之间的直接连线笔直地走向。

41.根据权利要求36所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件具有基本体，所述基本体限定一空腔，并且所述空腔的内壁至少对所述光源发射的光的部分光谱区域是反射的。

42.根据权利要求36所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件以介电聚能器的方式构造，其基本体为具有合适折射率的介电材料的完全体，使得耦合进所述光学元件中的光通过在所述完全体的侧边界面上的全反射向周围的介质反射，其中所述侧边界面将辐射输入端与辐射输出端相连。

43.根据权利要求36所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件具有辐射输出端，所述辐射输出端带有透镜式的成拱形的边界面。

44.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件构造为具有恒定横截面或者具有朝所述光输出端增大的横截面的光导体，用于光的混合；或者在所述光学元件之后在所述光路上设置有至少一个这样的光导体。

45.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件构造为具有朝所述光输出端增大的横截面的光导体，用于光的混合；或者在所述光学元件之后在光路上设置有至少一个这样的光导体。

46.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，相邻发光二极管芯片的一部分或者所有相邻发光二极管芯片彼此之间具有小于或者等于300μm且大于或者等于0μm的距离。

47.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，相邻发光二极管芯片的一部分或者所有相邻发光二极管芯片彼此之间具有小于或者等于100μm且大于或者等于0μm的距离。

48.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件在一侧具有矩形的横截面，其中该侧是所述光学元件具有辐射输出端的侧。

49.根据权利要求26或28所述的投影设备，其特征在于，所述光学元件沿第一平面具有第一最大辐射角，而沿第二平面具有第二最大辐射角，所述第二最大辐射角不同于所述第一最大辐射角。

50.根据权利要求49所述的投影设备，其特征在于，所述第一最大辐射角在大于或等于10°与小于或等于13°之间，而所述第二最大辐射角在大于或等于13°到小于或等于18°之间。

Images