CN102341740B - 发光单元阵列、其制造方法和投影设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影设备(1200)。所述投影设备(1200)包含发光单元阵列(1210)、光学传感器(1230)和控制单元(1220)。发光单元阵列(1210)用于发射投影到屏幕(60)上的图像光束。光学传感器(1230)用于检测来自屏幕(60)和环境(70)中的至少一者的电磁波以便产生信号。控制单元(1220)电耦合到发光单元阵列(1210)和光学传感器(1230)，用于根据来自光学传感器(1230)的信号控制发光单元阵列(1210)的发光。本发明还提供一种发光单元阵列(1210)和一种用于制造发光单元阵列(1210)的方法。

Description

发光单元阵列、其制造方法和投影设备
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(light emitting diode，LED)阵列及其制造方法，且涉及一种显示设备，且更特定来说涉及一种能够增强光提取(light extraction)效率和准直(collimation)的发光单元阵列及其制造方法，以及一种投影设备。
背景技术
近年来，发光二极管(LED)已逐渐改进发光效率，并在一些领域替代了荧光灯和白炽灯，包含用于扫描仪的高度响应速度灯、用于液晶显示器(liquid crystal display，LCD)的背光源(backlight source)或前光源(front light source)、用于汽车的仪器面板的光源、交通信号灯、用于投影装置的光源乃至普通的照明装置。LED的光发射通常为冷光发射(cold light emission)，而不是通过热或放电，因此LED常常具有高达100,000小时的相对长的操作寿命，且不需要待机时间(idling time)。LED还具有例如较快的响应速度(约10-9秒)、较小大小、较低功率消耗、较低污染、较高可靠性、大规模生产的能力等优点。因此，LED广泛用于许多领域中。
典型的LED通常为使用例如GaP、GaAs等III-V化合物的半导体装置。由于LED的III-V化合物半导体材料具有将电转化为光的特性，所以当将电流施加到半导体材料时，其中的电子将与空穴(hole)组合并以光的形式释放过多能量，借此实现发光的效果。除此之外，LED装置的基本结构包含使用III-V半导体的化合物制造的P型和N型外延层以及夹在两个外延层之间的发光层。
前述发光二极管的发光效率主要取决于发光层的量子效率和整个发光二极管的光提取效率。发光层的量子效率主要取决于发光层的外延质量和结构，且光提取效率主要取决于由发光层(有源层)产生的光的有效利用。
因此，如何提供具有较高光提取和准直的LED以及如何简化LED的制造工艺以便减少生产成本成为当前LED技术中的重要问题。
发明内容
本文介绍一种适于将图像光束(image beam)投影到屏幕上的投影设备。所述投影设备包含发光单元阵列、电路衬底、光学传感器、控制单元和投影光学元件(projection optics)。发光单元阵列用于发射图像光束。发光单元阵列包含单片式集成的多个发光单元。电路衬底安置在发光单元阵列下方，其中电路衬底电连接到发光单元阵列且用于个别驱动发光单元。光学传感器用于检测来自屏幕和环境中的至少一者的电磁波以便产生信号。控制单元电耦合到发光单元阵列和光学传感器，用于根据来自光学传感器的信号控制发光单元阵列的发光。投影光学元件用于将图像光束投影到屏幕上，其中投影光学元件电耦合到控制单元，且控制单元根据来自光学传感器的信号控制投影光学元件。
本文介绍一种发光单元阵列。所述发光单元阵列包含布置成且单片式集成阵列的多个发光单元，且所述发光单元中的每一者包含第一掺杂类型层、第二掺杂类型层、发光层和光子晶体结构(photonic crystal structure)。发光层安置在第一掺杂类型层与第二掺杂类型层之间，其中第二掺杂类型层具有背朝发光层的表面。光子晶体结构安置在第二掺杂类型层的所述表面上。
本文介绍一种用于制造发光单元阵列的方法。所述方法包含以下步骤。提供衬底。在衬底上形成多个半导体层，且在半导体层中添加牺牲层(sacrificial layer)。对半导体层和牺牲层进行蚀刻以形成多个单元。分别在所述单元上形成多个第一导电图案(conductive pattern)。提供电路衬底，且所述电路衬底具有安置在其上的多个晶体管。分别在所述晶体管上形成多个第二导电图案。分别结合第一导电图案和第二导电图案。通过蚀刻牺牲层而移除衬底、半导体层的一部分和牺牲层。
下文详细描述附有图式的若干示范性实施例以进一步详细描述本发明。
附图说明
包含附图以提供进一步理解，且附图并入本说明书中并组成其一部分。图式说明示范性实施例且与描述内容一起用以阐释本发明的原理。
图1是根据本发明的第一实施例的微LED阵列的示意横截面图。
图2A是从微LED发射的光的光提取效率和光强度分布曲线图。
图2B是绘示从LED的顶部表面发射的光强度相对于点光源的整个能量的百分比以及从LED的侧表面发射的光强度相对于点光源的整个能量的百分比的图，其中LED具有不同的晶格常数。
图3A到3E是说明根据本发明的第二实施例的微LED阵列的工艺流程的示意横截面图。
图4A是根据本发明的本实施例的全色(full color)微LED阵列中的单元的示意横截面图。
图4B是根据本发明的本实施例的另一全色微LED阵列中的单元的示意横截面图。
图4C是根据本发明的本实施例的另一全色微LED阵列中的单元的示意横截面图。
图5A到5E是说明根据本发明的第三实施例的微LED阵列的微光学透镜结构(micro optical lens structure)的工艺流程的示意图。
图6A是进一步说明根据本发明的第三实施例的微LED阵列的微光学透镜结构之间以及内部的结构的示意横截面图。
图6B和6C是说明根据本发明的第三实施例的制造图6A所示的微光学透镜结构的方法的示意图。
图7是说明根据本发明的第三实施例的微LED阵列的一个LED封装的示意图。
图8A和8B分别说明利用荧光体层(phosphor layer)的不同涂覆工艺(coating process)的图7中的LED封装的区A的部分放大视图。
图9A是说明根据本发明的第三实施例的微LED阵列的另一LED封装的示意图。
图9B说明图9A中的LED封装的区A的部分放大视图。
图10绘示根据本发明的实施例的用于图像投影的显示源的示意图。
图11绘示根据本发明的实施例的包括用于图像投影的显示源的投影模块的示意图。
图12绘示用于微LED的光分离、提取和准直的光子晶体结构的示意图。
图13A和13B绘示规则LED和光子晶体(photonic crystal，PhC)LED的外延结构的示意横截面图。
图14A绘示板条波导结构的七个最低级模态和最高级模态的场分布。
图14B绘示若干激发模态的权重。
图15绘示作为正规化频率(normalized frequency)(a/λ)的函数的导引模态(guided mode)(圆)的衍射角分布。
图16A到16F绘示作为正规化频率的函数的FDTD模拟的远场图案。
图17A和17B绘示通过组合光子晶体结构与纳米荧光粉末而实施白光源。
图18绘示通过波长转换材料转换光颜色的光子晶体结构的实施例。
图19绘示根据另一实施例的LED阵列。
图20绘示根据示范性实施例的投影显示芯片的架构。
图21绘示根据另一示范性实施例的投影显示芯片的架构。
图22绘示根据另一示范性实施例的投影显示芯片的架构。
图23绘示根据一个示范性实施例的微透镜阵列的架构。
图24绘示根据一个示范性实施例的具有表面等离子效应(surface plasmonic effect)的微孔隙的架构。
图25绘示根据一个示范性实施例的微环型结构的架构。
图26绘示根据一个示范性实施例的光子晶体阵列结构的架构。
图27绘示根据一个示范性实施例的微光控制结构的一部分。
图28绘示根据一个示范性实施例的多轴微投影透镜阵列的透镜单元的轴的布置关系。
图29是绘示根据本发明的第四实施例的灵巧的微投影装置的反馈控制系统的示意图。
图30A-30C绘示图29的反馈控制系统的操作。
具体实施方式
在本发明中，通过调整微LED的外延结构的厚度和结构而实现微发光二极管(micro-light-emitting diode，micro-LED)阵列，以便优化光提取或光准直从而符合要求。除此之外，还通过在特定步骤中和LED的特定位置中添加牺牲层而实现制造微LED阵列的方法，以便简化总体制造工艺。此外，实现微LED阵列以用于调整外部场分布以实现较高光提取。另外，还实现具有根据所投影图像的反馈机制的灵巧的微投影装置，以便调整所投影图像的质量并减少不必要的能量损失。
下文将描述本发明的实施例。然而，这些实施例不希望限制本发明的范围。除此之外，一些实施例可经适当组合以产生本发明的其它不同实施例。
第一实施例
在此本实施例中，通过调整LED的外延结构的厚度和结构而实现微发光二极管(LED)阵列，以便优化光提取或光准直从而符合要求。
图1是根据本发明的第一实施例的微LED阵列的示意横截面图。应注意，微LED阵列200具有布置成阵列且单片式集成的多个微LED，且为了清楚地描述，图1仅绘示微LED阵列中的一个微LED的横截面结构。参看图1，本实施例的微LED 210包含反射层220和发光层240，其中发光层240包含(例如)P型外延层242、N型外延层246和夹在这两个外延层之间的多量子阱(multiple quantum well，MQW)244(即，发光层)。在一实施例中，微LED 210的宽度W约为10微米。
发光层240的表面230具有光子晶体结构250的结构，其用于通过周期性地布置不同的折射率而调谐所发射光的光学特性。详细地说，光子晶体结构250具有周期性布置的微突起结构。然而，在其它实施例中，光子晶体结构250可具有非周期性布置的微突起结构。由于周期性布置的折射率的缘故，电磁波具有布拉格衍射(Bragg diffraction)和干涉现象，其导致光的折射路径改变，以便减少光的全反射。如此，射出微LED的光强度的百分比相对增加，且因此可有效地改进光提取效率。
更具体而言，在光子晶体结构250与反射层220之间传递的光可产生微腔(micro-cavity)效果(谐振发光)。发光层240能够发射具有波长λ0的光，且发光层240的表面230与反射层220之间的光学厚度T与从发光层240发射的驻波的波长相关。举例来说，光学厚度T和光的波长λ0实质上满足以下公式(1)和(2)：
微腔方案：T＜nλ0                    (1)
驻波效应：T～(λ0/2n)*m+(λ0/4n)+Ψ  (2)
在公式(1)和(2)中，m表示正整数，n表示折射率，且Ψ是半导体与空气或反射材料之间的界面所产生的相移。从微LED 210发射的光能够通过调整光学厚度T和发光层与反射层之间的距离而达到高准直，其也应满足公式(2)。T和发光层与反射层之间的距离的容差允许在λ0/8n的范围内。
参看图1，由于微LED 210的芯片大小(微米级)具有微腔谐振的功能， 所以可通过配置由光子晶体结构的周期性结构产生的微腔谐振和布拉格衍射来调整微LED 210的光提取和准直以满足要求。具体而言，光子晶体结构250的周期性结构的大小和周期性可根据所需光提取和所需准直来适当地调整。
图2A是从微LED发射的光的光提取效率和光强度分布曲线图，其中存在具有不同周期性结构的微LED。此处，微LED可表示图1所示的微LED210。光强度分布曲线图中的光发射角θ的范围从0到+180度。90度表示LED表面的法线的方向。在此实施例中，光子晶体结构的周期性结构的大小和周期性称为晶格常数(lattice constant)。参看图2A，不仅绘示在晶格常数α在从250nm到500nm的范围内的条件下所发射光的光提取效率，而且绘示此条件下的光形状。
如图2A所示，当光子晶体结构的晶格常数α改变时，光提取效率和表示所发射光的准直的光强度分布曲线图两者均相应地改变。详细地说，当光子晶体结构的晶格常数α实质上等于425nm时，微LED具有相对高的光提取，且光的光发射角θ朝约90度聚集。此外，如图2A所示，当光子晶体结构的晶格常数α实质上等于450nm时，微LED达到优良的准直。因此，具有450nm晶格常数的微LED实现可通过利用优良的准直而用于激光应用，即使其光提取效率并不表现得理想。因此，为了满足针对不同应用的不同要求，可根据所需光提取和所需准直来适当调整光子晶体结构的周期性结构的大小和周期性，本发明不限制晶格常数α的范围。
图2B是绘示从微LED的顶部表面发射的光强度相对于点光源的整个能量的百分比以及绘示从微LED的侧表面发射的光强度相对于点光源的整个能量的百分比的图，其中微LED具有不同的晶格常数α。此处，微LED可表示图1所示的微LED 210。参看图2B，通过选择光子晶体结构的适当晶格常数α，从微LED的顶部表面发射的光强度的百分比可几乎实现100％。举例来说，当光子晶体结构的晶格常数α实质上等于425nm时，从微LED的顶部表面发射的光强度的百分比可几乎达到100％。同时，参照图2A所示的光强度分布曲线图，微LED还达到准直光，其中光的光发射角θ朝约90度聚集，如图2A所示。
第二实施例
在本实施例中，通过在特定步骤中和微LED的特定位置中添加牺牲层 而实现制造微LED阵列的方法，以便简化具有较高光提取和较高光准直的微LED阵列的总体制造工艺。
图3A到3E是说明根据本发明的第二实施例的微LED阵列的工艺流程的示意横截面图。
参看图3A，首先提供衬底310。衬底310的材料为例如蓝宝石。此外，在预定形成微LED结构的外延堆叠层中添加牺牲层340，使得微LED 300可容易地实现微腔谐振的所需厚度。更具体而言，未掺杂氮化镓(un-GaN)层320、第一n型掺杂氮化镓(n-GaN)层330、牺牲层340、第二n-GaN层350、MQW层360和p型掺杂氮化镓(p-GaN)层370依序形成在衬底310上。在本实施例中，可基于具有与氮化镓(GaN)类似的晶格常数而选择牺牲层340的材料，例如氮化铝铟(AIInN)或其中具有高质量铝(Al)的化合物。由于牺牲层340(即，AIInN)的晶格常数与GaN的晶格常数匹配，所以微腔谐振的所需厚度可在牺牲层340上生长。应注意，微腔谐振的所需厚度T的概念如同第一实施例中提及的光学厚度。在此实施例中，微腔谐振的所需厚度T可满足上文的公式(1)和(2)。此处，微腔谐振的所需厚度T即是图3A所示的第二n-GaN层350、MQW层360和p-GaN 370的总厚度。
接下来，参看图3B，通过光刻工艺在衬底310上制造布置成阵列的多个微LED预定结构380，且其形成微LED阵列结构300。在衬底310上且在邻近的微LED预定结构380之间形成氧化硅层372。此外，形成图案化钝化部(passivation)390以覆盖多个微LED预定结构380，其中图案化钝化部390安置在每一微LED预定结构380的侧边缘上，以便减少泄漏电流的形成。另外，图案化钝化部390暴露每一LED的顶部表面。此外，为了进一步增强从LED的顶部表面发射的光，可在形成图案化钝化部390之前且在形成氧化硅层372之后进一步在每一微LED预定结构380的侧边缘处形成金属反射层392。
接着，参看图3C，提供具有布置成阵列的多个互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)420的CMOS电路衬底400。通过使用例如在外围标记的对准标记430a和430b使CMOS电路装置400与微LED阵列衬底300对准。对准之后，将CMOS电路装置400组装到微LED阵列衬底300。此刻，在显示区中，CMOS电路装置400通过利用 分别布置在CMOS 420和微LED 380上的具有不同形状的两个导电夹紧部分而结合到微LED阵列衬底300。详细来说，第一导电图案410a形成在由钝化部390暴露的每一LED的顶部表面上，且第二导电图案410b形成在对应于每一LED的每一CMOS的顶部表面上，且导电图案的材料可为金属或氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)。由于第一导电图案410a和第二导电图案410b的形状和位置互补，因此CMOS电路装置400与微LED阵列衬底300可互相配合。在此实施例中，安置于每一微LED预定结构380上的第一导电图案410a具有三角形腔，且安置于每一CMOS 420上的第二导电图案410b具有对应的三角形突起。微LED阵列衬底300与CMOS电路装置400通过夹紧具有互补形状的第一导电图案410a和第二导电图案410b而彼此组装。为了增强第一导电图案410a与第二导电图案410b之间的结合强度，进一步执行加热工艺以朝共熔点升高第一导电图案410a和第二导电图案410的温度，以便使第一导电图案410a和第二导电图案410b熔融。
接下来，通过执行蚀刻工艺而移除LED周围的氧化硅层372，以便从每一微LED预定结构380的侧边缘暴露牺牲层340，其中蚀刻工艺为例如湿式蚀刻。然后，参看图3D，执行电解氧化工艺以氧化牺牲层340。举例来说，当牺牲层340的材料为AlInN时，AlInN可通过比如NTA:KOH等电解溶液氧化以形成(AlInN)Ox。随后，将经组装的微LED阵列衬底300与CMOS电路装置400浸没到蚀刻溶液(例如，经加热硝酸(HNO3)溶液)中。接着通过经加热硝酸(HNO3)溶液移除氧化的牺牲层340(即，(AlInN)Ox)，且安置在氧化的牺牲层340的两侧的层相应地彼此分离。也就是说，参看图3C和3D，归因于所移除的牺牲层340而移除衬底310、un-GaN层320和第一n-GaN层330，且第二n-GaN层350变为如图3D所示的微LED阵列的顶部表面。如此，第二n-GaN层350、MQW层360和p-GaN层370的堆叠结构组成微LED 382。接着，在第二n-GaN层350上选择性地形成氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)层430，如图3E所示。因此，几乎完成了微LED阵列440。
参看图3E，在形成ITO层430的步骤之前，首先通过光学全息工艺或纳米压印(nanoimprint)工艺在每一微LED 382的第二n-GaN层350的背朝MQW层360的表面上形成光子晶体结构450，以便增强光提取效率和准直。在其它实施例中，光子晶体结构还可形成在p-GaN层370的背朝MQW 层360的表面上，或光子晶体结构形成在第二n-GaN层350和p-GaN层370的两个表面上。在此实施例中，通过直接形成第二n-GaN层350的顶部表面的周期性腔而形成光子晶体结构450。在每一微LED 382上完成光子晶体结构450后，可直接使用第二GaN层350来充当共同负电极，或进一步形成ITO层、薄金属层或具有分别对应于微LED 382的开口的金属网状电极以充当共同负电极，本发明不限于此。
因此，可通过上文提及的工艺流程制造具有较高光提取效率和准直的微LED阵列440。通过在适当步骤中和适当位置中布置牺牲层，制造微LED阵列的方法无需为激光剥离(laser lift-off)工艺，且因此工艺可得以简化。
在此实施例中，在以下描述中进一步实现全色微LED阵列。为了更好地说明全色微LED阵列，如下举一些图和实施例作为实例来描述全色微LED阵列的一个单元，但下文的实施例不限制本发明。 
为了实现全色显示器，微LED阵列进一步包括波长转换结构。波长转换结构的材料可为纳米荧光体或纳米粒子，其中纳米荧光体例如为CdSe/ZmS量子点(quantum dot，QD)，且纳米粒子例如为NaYF4:Yb，Er。通过使用纳米荧光体或纳米粒子作为波长转换结构，可实现全色显示器，且还可减少散射现象。
图4A是根据本发明的本实施例的全色微LED阵列中的单元的示意横截面图。参看图4A，在微LED阵列440的一个单元中的两个微LED的表面上形成纳米荧光体层510。更具体而言，在全色微LED阵列的一个单元中存在3个微LED。由于从n-GaN、MQW和p-GaN的堆叠层发射的光在此实施例中为蓝色，所以分别在一个单元中的两个微LED上形成红色纳米荧光体图案510R和绿色纳米荧光体图案510G，且因此一个单元中的三个微LED可分别发射蓝光、绿光和红光，使得微LED阵列500a可以全色显示。红色纳米荧光体图案510R的材料例如为红色CdSe/ZmS量子点(QDs)，且绿色纳米荧光体图案510G的材料例如为绿色CdSe/ZmS量子点。应注意，纳米荧光体图案510R和510G的厚度小于所发射光的波长。参看图4A，纳米荧光体的激发光的发射方向性可由微LED的半导体波导结构和光子晶体结构控制。
图4B是根据本发明的本实施例的另一全色微LED阵列中的单元的示意横截面图。参看图4B，在微LED阵列440的一个单元中的两个微LED的 表面上形成纳米荧光体层510。此实施例中的微LED阵列500b的单元类似于图4A所示的微LED阵列500a的单元。微LED阵列500b的单元与微LED阵列500a的单元之间的差异是通过使用红色纳米荧光体图案510R和绿色纳米荧光体图案510G直接形成光子晶体结构450，而非通过使用图4A所示的LED的第二GaN层350形成光子晶体结构450。也就是说，此实施例中的光子晶体结构450由红色纳米荧光体图案510R和绿色纳米荧光体图案510G制成。因此，从微LED阵列500b发射的光可经由光子晶体结构450实现较高光提取效率和较高准直。
图4C是根据本发明的本实施例的全色微LED阵列中的单元的示意横截面图。参看图4C，在微LED阵列440的一个单元中的两个LED的表面上形成具有光子晶体结构450的纳米粒子层520。在此实施例中，分别在一个单元中的两个微LED上形成红色纳米粒子图案520R和绿色纳米粒子图案520G，使得一个单元中的三个微LED可分别发射蓝光、绿光和红光，且因此微LED阵列500c可全色显示。红色纳米粒子图案520R的材料例如为红色NaYF4:Yb，Er，且绿色纳米粒子图案520G的材料例如为绿色NaYF4:Yb，Er。参看图4C，通过使用红色纳米粒子图案520R和绿色纳米粒子图案520G直接形成光子晶体结构450。换句话说，此实施例中的光子晶体结构450由红色纳米粒子图案520R制成且由绿色纳米粒子图案520G制成。通过使用由红色纳米粒子图案520R制成且由绿色纳米粒子图案520G制成的光子晶体结构450，从微LED阵列500c发射的光可实现较高光提取效率和较高准直。
第三实施例
在此本实施例中，实现微LED阵列以用于调整微LED的外部场分布，以便优化光提取和光准直从而符合要求。在一些实施例中，微LED阵列还可减少串话(cross-talking)。
图5A到5D是说明根据本发明的第三实施例的微LED阵列的微光学透镜结构的工艺流程的示意横截面图，其中此实施例中的微LED阵列进一步包含微光学透镜结构，LED对应地安置于其中。为了更好地说明，图5A到5D仅绘示微光学透镜结构，且省略安置于其中的微LED。微LED阵列可为上文提及的微LED阵列或任何其它种类的微LED阵列中的任一者，此实施例在微LED阵列的类型方面不受限制。
参看图5A，通过回流(reflow)工艺或其它适当的工艺在微LED阵列上形成微光学透镜层530。接下来，参看图5B，通过蚀刻工艺或压印工艺在微光学透镜层530上形成凹槽G，以便将微光学透镜层530划分为多个微透镜532。如图5B所示，微透镜532为独立的。
图5D是说明图5C所示的微光学透镜结构的俯视图。参看图5C和5C′，提供分隔材料540以通过毛细现象填充邻近的微透镜532之间的凹槽G。分隔材料540可使用光屏蔽材料或光反射材料。接下来，参看图5E，分隔材料540固化或凝固以形成分隔结构542。此实施例中的分隔结构542和微透镜532组成微光学透镜结构560。如图5E所示，安置在每一透镜532周围的分隔结构542能够增强从安置在下方的LED 550发射的光的准直。
图6A是进一步说明根据本发明的第三实施例的微LED阵列的微光学透镜结构之间以及内部的结构的示意横截面图。参看图6A，为了减少安置在微透镜中的LED之间的串话现象，用于隔离光的反射结构636进一步形成在邻近的微透镜632之间且形成在每一微透镜632的内部部分中，以便组成如图6A所示的微光学透镜结构660。在此实施例中，反射结构636例如为气隙(air gap)。参看图6A，每一微透镜632的壁充当全反射表面634，且每一LED 650安置在每一微透镜632内部，实践中，当LED 650的所发射光向全反射表面634发射时，所述所发射光朝LED的顶部表面反射。因此，微透镜的全反射表面634可实现光隔离功能，且因此改进光提取效率和准直，且进一步抑制LED的所发射光之间的串话问题。此处，LED 620可为上文的微LED或任何其它类型的LED。
图6B是说明根据本发明的第三实施例的制造图6A所示的微光学透镜结构的方法的示意图。参看图6B，通过回流工艺或其它适当的工艺在微LED阵列上形成微光学透镜层630。接下来，提供具有多个碗形结构642的模具640。微光学透镜层630被具有多个碗形结构642的模具640刺戳，且因此形成如图6A所示的微光学透镜结构660。
此外，为了增强光提取效率，还通过调整荧光体层的涂覆工艺而实现另一微光学透镜结构。图7是说明根据本发明的第三实施例的微LED阵列的一个LED封装的示意图，其中LED封装700包含微LED 710、微透镜720和安置于其间的荧光体层730。
图8A和8B分别说明利用荧光体层的不同涂覆工艺的图7中的LED封 装的区A的部分放大视图，其中图8A说明在将微透镜720组装到微LED 710之前首先将荧光体层730涂覆在微LED 710上，且图8B说明在将微透镜720组装到微LED 710之前首先将荧光体层730涂覆在微透镜720上。发明者发现，如果如图8A所示在将微透镜720组装到微LED 710之前将荧光体层730涂覆到微LED 710上，那么归因于杂散光而容易产生微透镜720的界面中的全反射。相反，如果如图8B所示在将微透镜720组装到微LED 710之前将荧光体层730涂覆到微透镜720上，那么可增强光提取效率，因为微透镜720的界面上的荧光体层730形成粗糙结构。
以相同方式，图9A是说明根据本发明的第三实施例的微LED阵列的另一LED封装的示意图，且图9B说明图9A中的LED封装的区A的部分放大视图。参看图9A和9B，其中LED封装800包含微LED 810、微透镜820和安置于其间的荧光体层830。由于在将微透镜820组装到微LED 810之前首先将荧光体层830涂覆到微透镜820上，而非涂覆到微LED 810上，因此增强LED封装800的光提取效率。
第四实施例
在此实施例中，实现具有根据所投影图像的反馈机制的灵巧的微投影装置，以便调整所投影图像的质量(包含亮度和对比度)并减少不必要的能量损失。此外，利用动态传感器来检测投影仪与屏幕之间的相对位置、振动和相对角度，以便调整图像失真并减少手持时的图像抖动。
以下揭示内容提供可寻址的无机LED阵列作为用于图像投影的显示源，其可与其它功能模块集成以充当执行各种功能的微投影装置。本发明提供的用于图像投影的显示源可通过借助波长转换材料将不同类型的光(例如，蓝光或紫外光)转换为原色光(例如，蓝光、红光和绿光)而充当全色显示源。或者，可通过将原色光的多个微LED组装到LED阵列中而实现全色显示，其中微LED的组装可通过外延生长技术或其它技术来实施。作为另一替代，还可通过组合白色显示源与谐振腔结构(例如，谐振腔LED(resonant cavity LED，RC LED))以经由波长选择产生原色光而实现全色显示。不同于其它显示装置，本发明提供的用于图像投影的显示源需要例如光子晶体或微透镜等准直装置来帮助所发射光的角会聚，以便改进投影效率。因此，可寻址的无机LED阵列的一个实施例包括由蓝光、红光和绿光的RC LED组成的LED阵列以及LED阵列的顶部上的微透镜阵列。RC LED可改进发光效率并帮助所发射光的角会聚。微透镜阵列可将所发射光的角进一步限制在20度内。
图10绘示根据本发明的实施例的用于图像投影的显示源的示意图。图11绘示根据本发明的实施例的包括用于图像投影的显示源的投影模块的示意图。充当显示源的微LED阵列500d防止微显示源之间的串话。即，充当像素的微显示源不彼此干扰，且其光场经准直。图12绘示用于微LED的光分离、提取和准直的光子晶体结构的示意图。参看图10-12，微LED 380d分别电连接到包含晶体管410d和电容器420d的驱动电路400d，且被透镜阵列530d覆盖。驱动电路400d可以硅或GaN制造，发光材料也是如此。光子晶体(PhC)结构390d、110d在其用于微LED 380d的光分离、提取和准直的周期性结构间利用带隙效应和布拉格衍射。光子晶体结构经设计以展现用于不同应用的不同周期性结构。举例来说，当充当反射体时，光子晶体结构1100d的周期经设计为在材料中传播的光的波长的一半；当充当准直装置时，通过考虑LED的外延波导结构而设计光子晶体结构390d的周期。
LED的波导特性以及光子晶体结构390d、1100d设计原理描述如下。光子晶体材料或结构的介电常数在所发射光的波长范围内周期性地变化。根据衍射理论，当在LED半导体结构380d的顶部上建立光子晶体结构时，LED半导体结构380d中捕获的光将归因于光子晶体结构的周期性结构而被导向空气，且导引方向是基于周期的变化。因此，除了改进光提取效率外，光子晶体技术还可调整光场的方向。因为从有源发光层(即，MQW)发射的大部分光归因于全内反射(total internal reflection，TIR)而在材料中传播或被材料吸收，所以LED 380d展现较低的外部量子效率。根据波导理论，LED380d中捕获的光展现称为导引模态的不同分布。光子晶体结构390d、1100d与光的交互受这些导引模态的显著影响。与不同导引模态交互的相同的光子晶体结构展现不同的光提取效率。通常，与高级导引模态交互的光子晶体结构390d、1100d具有高光提取效率，而光子晶体结构309d、1100d归因于场分布与光子晶体结构309d、1100d的小重叠而以低光提取效率提取低级导引模态(例如，基本模态)。由于大部分LED发光能量耦合到较低级导引模态，所以通过考虑半导体结构中的导引模态而辅助改进光提取效率和远场光形成的准直的光子晶体结构390d的设计。
图13A和13B绘示规则LED和光子晶体(photonic crystal，PhC)LED的外延结构的示意横截面。举例来说，图13A中绘示GaN LED的外延层结 构。具有3微米厚度的GaN层240e外延生长在蓝宝石220e上。发光层244e在GaN层240e的顶部附近。具体而言，GaN层240e包含第一掺杂类型GaN层242e、第二掺杂类型GaN层246e和安置在第一掺杂类型GaN层242e与第二掺杂类型GaN层246e之间的发光层244e。电极260e安置在第一掺杂类型GaN层242e上，且另一电极262e安置在第二掺杂类型GaN层246e上。GaN LED 210e展现不对称的板条波导结构(slab waveguide structure)，其中大部分发光能量在波导模态中且局限于板条波导结构中。图14A绘示不对称板条波导中的导引模态的场分布。图14B绘示若干激发模态的权重。图14中绘示受发光层的位置影响的模态分布和权重。图14A绘示板条波导结构的七个最低级模态和最高级模态的场分布。图14B绘示模态权重：基本模态的权重为19.2％，且随后的激发模态的权重为13.8％、9.1％、6.4％、4.6％、3.1％等。可见，大部分波导能量处于低级模态中。图13B所示的光子晶体LED利用其周期性形成的孔隙390d(所述孔隙衍射其导引模态)来改进光提取效率并控制远场光形成。应注意，光子晶体结构390d在高级模态下具有较高的光提取效率。为了使光子晶体展现较高的光提取效率并更好地控制这些模态下的准直性能，应增加光子晶体在低级模态下的交互。存在至少两种方法来实现此目标：增加孔隙390d的深度和减小LED外延层的厚度。
光子晶体是具有表面光栅的装置。利用衍射理论来分析光子晶体结构的周期对光提取的影响。布拉格衍射理论如下：
kg sin θ1+mG＝k0 sin θ2
其中kg表示导引模态的波向量，G表示光子晶体的衍射向量，k0表示空气的波向量且m表示衍射级。
对于光捕获于LED的外延层中的导引模态，可由衍射向量G提供逆波向量以使得光可通过衍射进入空气。衍射向量G取决于光子晶体的周期。通常，为了将大部分导引模态衍射到空气中，光子晶体的周期a应大于波长的三分之二。因此，考虑光提取效率，光子晶体的周期a应满足不等式：a/λ≥2/3。
衍射理论和有限差时域(finite difference time domain，FDTD)数字方法用于调查光子晶体对LED远场光形成的影响。如早先所提及，光子晶体将捕获于LED中的光(导引模态)衍射到空气中以改进光提取效率。另外，根据衍射理论，衍射角取决于光子晶体的周期。因此，我们可通过调整光子晶体的周期来控制LED光形成。
图15绘示作为正规化频率(a/λ)的函数的导引模态(圆)的衍射角分布。图15所示的圆表示图14所示的半导体波导结构中的不同导引模态。为了简单，图15仅绘示TE极化导引模态。导引模态的数目取决于半导体结构的厚度。对应于图15的半导体结构的厚度为3微米，且TE极化导引模态的数目为25。导引模态分布在依据光子晶体的衍射角的范围内，其中所述范围类似于远场光形成的发散角。如图15所示，当a/λ为0.25时，衍射角分布在±20度内，且因此对应于最佳准直性能。图16绘示作为正规化频率(a/λ)的函数的FDTD模拟的远场图案，其中t＝0.1um且r/a＝0.25。如图16所示，当a/λ为0.25时，远场图案对应于最佳准直性能，其与布拉格衍射理论分析一致。
基于光子晶体的周期对光提取效率和准直性能的影响，针对最佳准直性能的光子晶体的周期为200到270纳米，而针对最佳光提取效率的光子晶体的周期为470纳米，其等于所发射光的波长。由于这两个标准之间无重叠，所以必须进行折衷。以上注解是特定针对图13所示的半导体波导结构。如早先所提及，光子晶体结构的参数取决于半导体结构的波导性能。举例来说，针对最佳准直性能的薄GaN LED的适当周期为290纳米，其不同于上文给出的200到270纳米的范围。
至于RGB LED显示源的准直，其类似于白色LED显示源的准直。即，使用纳米荧光粉末(例如，纳米荧光体、量子点)来防止光散射。荧光粉末涂层的厚度比所发射光的波长薄。由荧光粉末激发的光的发射方向由LED半导体波导结构和光子晶体结构控制。图17绘示通过组合光子晶体结构与纳米荧光粉末而实施白光源。如图17A所示，MQW发射和由荧光粉末410g激发的光的大部分能量分布在LED半导体波导结构220g的导引模态中，且这两种具有不同波长的光接着通过光子晶体的衍射结构390d经由衍射在相同方向上进入空气。因此，这两种具有不同波长的光经准直以展现相同的光形成，且接着混合以显示白光形成。光子晶体结构390d应经适当设计以实现以上性质。图17B中绘示这两种光间的对应的弥散关系。
图18绘示通过波长转换材料转换光颜色的光子晶体结构的实施例。参看图18，LED结构380d发射蓝光LB或紫外光。波长转换材料140hl例如为红色荧光体，以便将蓝光LB转换为红光LR。此外，波长转换材料410例 如为绿色荧光体，以便将蓝光LB转换为绿光LB。
由于当通过用于图像投影的显示源投影图像时电流密度高，所以需要热耗散模块来防止聚集的热破坏LED和所连接的开关电路。热耗散模块的大小也是一个因素。由于微投影应用具有严格的大小要求，所以不允许具有过大大小的热耗散模块。因此，应在全色显示源的设计阶段较早考虑热耗散。举例来说，建议通过高导热材料1120i(例如，电绝缘和高导热材料)将LED阵列210g与可寻址电路阵列400d结合，如图19所示。另外，代替于需要空间的冷却鳍片，建议使用导热材料1120i作为LED之间的光电阻挡材料以帮助在垂直和水平方向上将热耗散到空气中。
图20绘示根据示范性实施例的投影显示芯片的架构。投影显示芯片100j包括驱动电路装置102j、微LED阵列104j和微光控制结构106j。如图20所示，投影显示芯片100j将多个微LED 105j集成单一芯片100j中的阵列，其中多个微LED 105j包括红、蓝和绿LED，以便全色显示图像，其中红、蓝和绿发射器的像素包括红LED、蓝LED和绿LED。驱动电路装置102j驱动微LED阵列104j。投影显示芯片100j还包括内嵌式有源寻址控制电路102j以个别地控制微LED 105j显示图像。微光控制结构106j形成在每一微LED 105j上或附接到每一微LED 105j以用于聚焦和投影从而产生定向光输出。微光控制结构106j包括准直装置、微透镜和有源可调整透镜。
在一些实施例中，微LED阵列104j可由微激光二极管阵列代替。在其它实施例中，微LED阵列104j由有机LED实施。在一些实施例中，驱动电路装置102j由薄膜晶体管、金属氧化物半导体(MOS)晶体管或氮化镓(GaN)晶体管实施。在一些实施例中，微LED阵列104j可通过电子信号调整。
投影显示芯片100j可与投影镜头200j组合以显示聚焦投影(如图21所示)，或在无投影镜头的情况下使用如图22所示的投影显示芯片100k来显示免调焦(focus-free)投影。对于不同的应用，可相应地调整投影显示芯片100j、100k的微光学结构。
微光控制结构106j是本发明中的重要特征。需要微光控制结构106j来有效地聚焦从每一微LED发射的光并防止不同微LED 105j间的串话影响图像质量。
在本发明中，串话是指从像素发射的光的空间干扰。微阵列中每一像素的大小极小(约5微米)。归因于这些像素的较小大小和高度集中的布置， 必须谨慎地避免不同像素之间的串话。只要每一像素的光形式的准直程度足够高，例如只要将从微LED 105j输出的光的角度限制在特定角度内(例如，＜±11°，＜±8°或＜±2°，取决于图像质量和微光控制结构106j)，就可克服串话问题。
因此，根据本发明的实施例的微光控制结构106j进一步包括微准直装置，例如微透镜阵列、具有表面等离子效应的微孔隙、微环型结构或光子晶体阵列。这些微准直装置朝一个方向准直从微LED发射的光，使得将从微LED发射的光的角度限制在特定角度内(例如，＜±11°，＜±8°或＜±2°)。这些微准直装置106j的制造包括将这些微准直装置附接到微LED的表面或蚀刻微LED的表面以使得光由微LED 105j准直。
图23绘示根据一个示范性实施例的微透镜阵列的架构。如图23(其绘示一个微透镜106j的横截面)所示，透明电介质经堆叠以形成微投影透镜阵列，且每一微光源的堆叠图案经调整以形成光L的所需光方向。
图24绘示根据一个示范性实施例的具有表面等离子效应的微孔隙的架构。如图24(其绘示具有表面等离子效应的微孔隙的俯视图、微孔隙106k的俯视图和微孔隙106k的侧视图)所示，具有表面等离子效应的微孔隙106k的光场展现高方向性。
图25绘示根据一个示范性实施例的微环型结构的架构。如图25(其绘示微环型结构1061的俯视图、具有多个微环1071的微环组1061的俯视图和具有多个微环1071的微环组1061的侧视图)所示，通过在每一微LED上形成微环衍射单元来形成微环型准直透镜阵列以准直从微LED发射的光L。
图26绘示根据一个示范性实施例的光子晶体阵列的架构。如图26(其绘示光子晶体阵列106m的俯视图、光子晶体阵列106m的一部分的俯视图和光子晶体阵列106m的侧视图)所示，光子晶体阵列106m个别地准直从每一微LED发射的光L。
图27绘示根据一个示范性实施例的微光控制结构106的一部分。如图27(其绘示沿着轴I的图1所示的微光控制结构106的侧视图)所示，多轴微投影透镜阵列108n聚焦从每一像素发射的光且通过调整透镜109n的几何结构而改变投影方向X。多轴光学透镜膜是免调焦投影的关键。多轴光学透镜膜108n是通过半导体制造工艺直接形成在上文提及的准直装置上，或事 先形成且接着附接到上文提及的准直装置。因此，光L在不同方向上聚焦，且图像可显示在任何表面上而无需通过使透镜聚焦进行放大。投影程度随着每一微透镜单元与投影轴之间的距离增加而增加。投影程度还取决于投影距离和投射比(throw ratio)(投影距离/图像宽度)。
图28绘示根据一个示范性实施例的多轴微投影透镜阵列的透镜单元的轴的布置关系。如图28所示，绘示多轴微投影透镜阵列的透镜单元的轴的布置关系(仅标记了轴I)。投影芯片的大小(即，多轴微投影透镜阵列的大小)为X×Y。分辨率表示为(Rx，Ry)。投影图像的大小取决于投射比(其等于D/(2Sx)，其中D表示投影距离且2Sx表示图像宽度)。如果投射比较小，那么特定大小的图像可在较短距离内显示。多轴微投影透镜阵列为二维阵列，其中投影轴的角度 和每一透镜单元的位置(i，j)相关，且θ和i表示轴I上的角度和位置指标，且 和j表示轴J上的角度和位置指标。
在本发明的实施例中，θ的计算如下：
θ ( i ) = tan - 1 ( s x ( i ) - x ( i ) D )
s x ( i ) = 2 S x R x i
x ( i ) = X R x i , i = - R x / 2 到Rx/2，i∈Int.
的计算如下：
φ ( j ) = tan - 1 ( s y ( j ) - y ( j ) D )
s y ( j ) = 2 S y R y j
y ( j ) = Y R y j , j＝-Ry/2到Ry/2，j∈Int.
因此，多轴微投影透镜阵列的每一透镜单元的轴的方向可基于以上等式来界定。
在制造期间，经界定的多轴微投影透镜阵列可通过半导体制造工艺形成在微LED阵列上。如图23所示，使用多层曝光掩模技术来界定每一层上的透镜的大小。还使用生膜(filming)和蚀刻技术来形成具有不同轴方向的透镜层。
除了多轴微投影透镜阵列外，本发明的实施例还提供形成在微LED上的纳米级结构(例如图26所示的光子晶体阵列)，以为待有效投影和显示于屏幕上的图像维持这些LED的垂直轴。光子晶体是具有周期性形成的孔隙的纳米级结构，且此类结构可通过半导体制造工艺制造于微LED中。
与光子晶体的二维周期性孔隙结构相比，图25所示的微环型光栅展现一维周期性光栅结构。通过利用半导体制造工艺蚀刻微LED的表面以形成多个同心凹进区来形成微环型光栅。微环型光栅和光子晶体的原理相同。因此，也可根据衍射理论来设计微环型光栅。
图24绘示由金属膜所围绕的纳米级孔隙结构106k形成的光栅结构。归因于金属光栅结构与半导体材料之间的表面等离子效应以及孔隙效应，建立垂直于微LED的表面的相长干涉，且还建立背朝垂直于微LED的表面的方向的相消干涉。因此，获得具有极高程度的准直的光场。
综上所述，本发明提供一种投影显示芯片，其可将传统投影仪、显示装置(例如，DLP、LCoS和LCD)和光学透镜的光源集成到单一芯片中而无需外部光源或投影透镜。因此，本发明的投影显示芯片展现较小的大小和高效率，使得其可容易地集成在移动装置中。
图29是绘示根据本发明的第四实施例的灵巧的微投影装置的反馈控制系统的示意图。参看图29，灵巧的微投影装置包含微LED阵列1210、投影模块1240(例如，投影光学元件)、传感器1230(例如，光学传感器)和控制单元(例如，投影仪控制电子元件)1220。投影仪控制电子元件1220具有根据周围明亮情况、投影光学元件1240的状态以及传感器1230检测到的投影光学元件1240与屏幕60之间的相关关系的反馈机制。在此实施例中，传感器1230(例如，光学传感器)用于检测环境亮度、由投影到屏幕60上的图像光束形成的帧的亮度以及帧的形状中的至少一者，以便向控制单元(例如，投影仪控制电子元件1220)产生信号。投影仪控制电子元件1220通过根据投影距离和周围明亮情况70的传感器1230反馈而动态地控制来自微LED阵列1210的输出光通量以保持投影到屏幕60的图像的亮度恒定且足够。感测屏幕60上的所投影图像的对比度，使得投影光学元件1240由投影仪控制电子元件1220调整以聚焦图像，且因此可改进图像对比度。所投影图像的几何失真经校准，且还通过反馈控制系统减少手抖动。
此外，一般来说，可在任何地方任何时间使用微投影装置1200。当投影光学元件1240的光轴不垂直于屏幕60时，所投影图像通常相应地具有梯形失真(trapezoid distortion)。为了保持正常的所投影图像，有必要不断地调整投影光学元件的安置角度。此外，由于微投影装置1200通常用于手持用途，所以当用户用手使用微投影装置时，所投影图像容易抖动且影响显示质量。为了解决以上问题，通过利用动态传感器1230检测投影仪与屏幕之间的相对位置、相对角度和相对运动并将检测到的信息反馈到微LED阵列以相应地校准几何失真并消除抖动，来实现微投影装置1200。
举例来说，图30A到30C是绘示投影装置与屏幕之间的安置关系的示意图。参看图30A，当投影装置1200的投影方向垂直于屏幕60时，屏幕上的由微LED阵列1210上的原始图像80带来的所投影图像90可无失真地正常显示。参看图30B，当投影装置1200的投影方向与屏幕60之间的角度不等于90度时，来自现有投影装置1200的所投影图像90′会产生梯形失真。参看图30C，此实施例中的投影装置1200可通过使用传感器1230检测投影装置1200与屏幕60之间的空间关系，经由投影仪控制单元1220校准并补偿微LED阵列1210的图像形成装置，使得所投影图像90"可在投影装置1200的投影方向与屏幕之间的任何角度下无失真地正常显示，因为微LED阵列1210上的图像80"经调整。
另外，投影装置的投影距离依据屏幕(例如，墙壁、天花板、桌面等或任何表面)的位置而显著变化。当投影距离过小时，所投影图像的亮度在投影装置输出恒定明亮度的条件下过亮，且用户需要手动调整亮度以改进过亮现象。另一方面，当投影距离过远时，所投影图像的亮度在投影装置输出恒定明亮度的条件下过暗，且用户需要手动调整亮度以改进过暗现象。
为了解决以上问题，将内建式传感器1230安置在微投影装置1200内，使得微投影装置1200可根据传感器1230的检测而调整所投影图像的亮度。更特定来说，传感器1230获得环境亮度70、投影距离或所投影图像的亮度的信息，且接着反馈到投影控制单元1220，以便控制投影光学元件1240和有源发光显示器1210(即，微LED阵列)来调整输出光通量和焦距。因此，在特定环境亮度下可展示所投影图像的适当的亮度和对比度，以避免归因于过亮的不必要的能量损失。
此外，传感器1230可为红外线接收器/发射器、电荷耦合装置(charge coupled device，CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、光子检测器，以及甚至微波接收器/发射器等任何具有光感测、距离测量和/或图像分析的功 能的装置。投影仪控制单元1220是处理器且处理由传感器1230发送的反馈电信号或反馈光学信号。投影仪控制单元1220根据反馈信号的操作确定有源发光显示器的适宜的亮度或投影光学元件的适宜的位置，以便调整图像的例如对比度、锐度(sharpness)、显色指数(color rendering index)、色温(color temperature)、几何失真、失真和亮度等显示光学特性。有源发光显示器包含具有电路阵列的微LED阵列1210，所述电路阵列可独立地控制每一微LED的开关。经由驱动集成电路(integrated circuit，IC)来控制开关电路以便使微LED阵列能够形成图像。
此外，在有源发光中可进一步组合例如微透镜等光凝缩结构、光子晶体结构或光栅单元等光学准直，使得LED的照明场的发散角可会聚。会聚之后照明场的发散角可减少杂散光，且减小投影光学元件的大小。因此，其对于微投影装置系统将是有益的。
表1绘示正常环境的明亮度范围。
表1
表2绘示使用具有100lm输出的投影装置的对应于投影屏幕的不同大小的所投影图像的明亮度。参看表2，举25英寸的屏幕大小为例，由于明亮度为517勒克司，远大于几乎环境明亮度，所以输出的明亮度可通过反馈机制减小，以便节省功率。
表2
  投影屏幕的大小(英寸)   明亮度(勒克司)
  25   517
  32   315
  46   151
  60   90
除此之外，还可在投影屏幕上制造微结构，用于选择波长或极化。通过分别向观察者的双眼反射具有不同波长或极化的光，观察者观看到三维立体图像，且因此此条件下的微投影装置可应用于立体投影领域(例如，3D显示器)。在此应用中，需要显示源以根据波长或极化来输出两个不同的图像。 
总之，本发明的一个应用是利用全色微LED阵列代替正常投影装置的光源和显示装置，使得可有效减小系统大小，可减少所需元件，可节省成本，且可改进光效率。通过传感器和投影仪控制单元提供的反馈机制，可根据环境亮度和投影距离来控制微LED阵列的所输出明亮度，使得可以最小总电力消耗的方式展示所投影图像的亮度，且因此满足手持式微投影装置的用户要求。
所属领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下对所揭示的实施例的结构作出各种修改和变化。鉴于以上内容，希望本发明涵盖本发明的修改和变化，只要其落在所附权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (33)

1.一种投影设备，适于将图像光束投影到屏幕上，所述投影设备包括：
发光单元阵列，其用于发射所述图像光束，所述发光单元阵列包括单片式集成的多个发光单元；
电路衬底，其安置在所述发光单元阵列下方，其中所述电路衬底电连接到所述发光单元阵列，用于个别驱动所述发光单元；
光学传感器，其用于检测来自所述屏幕和环境中的至少一者的电磁波以便产生信号；
控制单元，其电耦合到所述发光单元阵列和所述光学传感器，用于根据来自所述光学传感器的所述信号控制所述发光单元阵列的发光；以及
投影光学元件，其用于将所述图像光束投影到所述屏幕上，其中所述投影光学元件电耦合到所述控制单元，且所述控制单元根据来自所述光学传感器的所述信号控制所述投影光学元件，
其中，所述光学传感器获得投影距离的信息，且反馈到所述控制单元，以便控制所述投影光学元件和所述发光单元阵列来调整输出光通量和焦距。
2.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述光学传感器包括红外接收器、红外发射器、电荷耦合装置、互补金属氧化物半导体检测器、光子检测器、微波接收器和微波发射器中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述光学传感器还用于检测由投影到所述屏幕上的所述图像光束形成的帧的形状以便向所述控制单元产生信号。
4.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述光学传感器是动态传感器，所述动态传感器用于检测所述投影设备相对于所述屏幕的相对位置、相对角度和相对运动中的至少一者以便向所述控制单元产生所述信号。
5.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述发光单元中的每一者包括第一掺杂类型层、第二掺杂类型层和安置在所述第一掺杂类型层与所述第二掺杂类型层之间的发光层，所述投影设备进一步包括安置在所述发光单元与所述电路衬底之间的反射层，且所述第一掺杂类型层安置在所述发光层与所述反射层之间。
6.根据权利要求5所述的投影设备，其中所述第一和第二掺杂类型层中的至少一者具有背朝所述发光层的表面，且所述表面具有所述第一和第二掺杂类型层中的所述至少一者上的光子晶体结构。
7.根据权利要求6所述的投影设备，其中所述光子晶体结构包括周期性或非周期性布置在所述第一和第二掺杂类型层中的所述至少一者上的多个微突起。
8.根据权利要求5所述的投影设备，其中所述反射层与所述发光单元的背朝所述反射层的表面之间的厚度为T，以便满足T<nλ和T＝(λ/2n)*m+(λ/4n)+ψ，其中n为所述发光单元的折射率，λ为来自所述发光层的发光的波长，ψ为所述发光单元与空气之间以及所述发光单元与所述反射层之间的界面所产生的光学相移，且m为正整数。
9.根据权利要求8所述的投影设备，其中所述第一和第二掺杂类型层中的至少一者具有背朝所述发光层的表面，且所述表面具有所述第一和第二掺杂类型层中的所述至少一者上的光子晶体结构，其中所述光子晶体结构包括周期性或非周期性布置在所述第一和第二掺杂类型层中的所述至少一者上的多个微突起。
10.根据权利要求1所述的投影设备，其中电绝缘和导热材料安置在任何两个邻近的发光单元之间，且所述电绝缘和导热材料的一部分安置在所述发光单元与所述电路衬底之间。
11.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述电路衬底包括分别电连接到所述发光单元的多个晶体管。
12.根据权利要求11所述的投影设备，其中所述晶体管是薄膜晶体管、金属氧化物半导体晶体管或氮化镓晶体管。
13.根据权利要求11所述的投影设备，其中所述发光单元阵列进一步包括分别连接所述发光单元与所述对应的晶体管的多个导电图案。
14.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述发光单元阵列进一步包括覆盖所述发光单元并电连接到所述发光单元中的每一者的电极层，其中所述电极层是透明的或具有分别对应于所述发光单元的开口。
15.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述发光单元阵列进一步包括分别安置在所述发光单元的至少一部分上的多个荧光体层。
16.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述发光单元阵列进一步包括分别安置在所述发光单元的至少一部分上的多个光子晶体荧光体图案。
17.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述发光单元阵列进一步包括分别安置在所述发光单元的至少一部分上的多个纳米粒子图案或纳米荧光体图案。
18.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述发光单元阵列进一步包括分别安置在所述发光单元上的多个微透镜。
19.根据权利要求18所述的投影设备，其中分隔材料形成在任何两个邻近的微透镜之间，且所述分隔材料为光屏蔽材料或光反射材料。
20.根据权利要求18所述的投影设备，其中至少一个气隙形成在任何两个邻近的微透镜之间。
21.根据权利要求18所述的投影设备，其中所述发光单元阵列进一步包括安置在所述微透镜与所述发光单元之间的多个荧光体层。
22.根据权利要求18所述的投影设备，其中所述发光单元阵列进一步包括安置在所述微透镜上的多个荧光体层。
23.根据权利要求18所述的投影设备，其中所述微透镜具有不同光轴以放大所投影图像，且所述光轴的延伸方向从所述微透镜的中央往所述微透镜的侧边逐渐展开。
24.根据权利要求18所述的投影设备，其进一步包括分别安置在所述发光单元与所述对应的微透镜之间的多个微环组。
25.根据权利要求18所述的投影设备，其进一步包括安置在所述发光单元与所述对应的微透镜之间的多个表面等离子孔隙。
26.根据权利要求18所述的投影设备，其中透明电介质经堆叠以形成所述微透镜。
27.根据权利要求5所述的投影设备，其中带隙光子晶体结构安置在任何两个邻近的发光单元之间。
28.根据权利要求1所述的投影设备，其中所述发光单元是激光二极管或发光二极管。
29.根据权利要求1所述的投影设备，其进一步包括分别安置在所述发光单元上的多个微环组。
30.根据权利要求1所述的投影设备，其进一步包括分别安置在所述发光单元上的多个表面等离子孔隙。
31.根据权利要求1所述的投影设备，其进一步包括分别安置在所述发光单元上的多个透明电介质透镜。
32.根据权利要求1所述的投影设备，其进一步包括分别安置在所述发光单元上的多个可调整微透镜。
33.根据权利要求32所述的投影设备，其中所述可调整微透镜的焦点和光轴是通过电子信号来调整。
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