CN102804059A - 具有两个光源的光学投影设备 - Google Patents

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Abstract

说明一种光学投影设备，具有：-第一光源（1），-第二光源（2），和-在运行时由第一光源（1）和第二光源（2）照亮的成像元件（8），其中-第一光源（1）包括在运行时发射红光的发光二极管芯片（11），并且-第二光源（2）包括在运行时发射绿光的第一发光二极管芯片（21）和在运行时发射蓝光的第二发光二极管芯片（22），其中第二发光二极管芯片（22）在第一发光二极管芯片（21）上布置在第一发光二极管芯片（21）的辐射出射面（212）处，使得在运行时在第一发光二极管芯片（21）中生成的电磁辐射通过第二发光二极管芯片（22）射出。

Description

具有两个光源的光学投影设备
说明一种光学投影设备。 
要解决的任务在于，说明一种具有提高的效率的光学投影设备。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，所述光学投影设备具有第一光源和第二光源。所述光学投影设备因此包括两个光源。所述光学投影设备优选是双通道投影设备，该双通道投影设备具有仅仅两个光源，这些光源的光能混合成白光。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，所述光学投影设备包括成像元件。所述成像元件例如可以是LCD面板或者微反射镜阵列。在光学投影设备运行时，所述成像元件由第一光源和第二光源照亮。成像元件调制第一和第二光源的光并且以此方式生成例如投射到投影面上的图像。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，第一光源包括在运行时发射红光的发光二极管芯片。第一光源在此可以包括恰好一个发射红光的发光二极管芯片或者多个在运行时发射红光的发光二极管芯片。所述光源优选不包括在运行时发射不同于红色的其他颜色的光的发光二极管芯片。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，第二光源包括第一发光二极管芯片和第二发光二极管芯片。第一发光二极管芯片在运行时发射绿光并且第二发光二极管芯片在运行时发射蓝光。第二发光二极管芯片在此在第一发光二极管芯片上布置在第一发光二极管芯片的辐射出射面处。也就是说，第一和第二发光二极管芯片相叠地堆叠布置，其中发射蓝光的发光二极管芯片在其辐射方向上布置在发射绿光的发光二极管芯片的后面。也就是说，在第一发光二极管芯片运行时生成的电磁辐射通过第二发光二极管芯片射出。第二发光二极管芯片为此以对于在第一发光二极管芯片中生成的电磁辐射辐射可透过的方式来构造。 
第一和第二发光二极管芯片可以单片集成地制造。也就是说，第一和第二发光二极管芯片例如可以在单个外延设备中彼此跟随地外延生长。替换地，第一和第二发光二极管芯片可以彼此分开地制造并且例如可以借助粘接工艺彼此连接。 
第二光源在此可以包括第一和第二发光二极管芯片的恰好一个堆叠。此外，第二光源可以包括多个这种堆叠。在每种情况下，第二光源优选仅仅包括第一和第二发光二极管芯片的堆叠并且例如不包括诸如红色发光二极管芯片的其他发光二极管芯片。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，光学投影设备包括第一光源、第二光源和成像元件，该成像元件在运行时由第一和第二光源照亮。第一光源包括在运行时发射红光的发光二极管芯片。第二光源包括在运行时发射绿光的第一发光二极管芯片和在运行时发射蓝光的第二发光二极管芯片，其中第二发光二极管芯片在第一发光二极管芯片上布置在第一发光二极管芯片的辐射出射面处，使得在运行时在第一发光二极管芯片中生成的电磁辐射通过第二发光二极管芯片射出。 
这里所述的光学投影设备优选是双通道投影设备。在双通道投影设备中可以通过单个发光二极管光源生成一个基色——例如绿色，而其他两个基色——例如红色和蓝色——由在其上并排布置有红色和蓝色发光二极管芯片的发光二极管模块生成。为了两个色通道（例如一个是绿色并且另一个是蓝色-红色）的叠加和均匀化，可以使用分光镜和诸如微透镜阵列（所谓的复眼阵列）或者棒状光学积分器（所谓的积分棒）的光学部件。通过透镜系统，光于是可以连续地偏转到诸如数字反射镜装置（DMD）的成像元件上并且通过投影光学系统放大地投射到银幕上。 
这里所述的光学投影设备现在基于如下考虑。展度保持（Etendue-Erhaltung）定则——按照该定则展度与 
Figure DEST_PATH_IMAGE002
成比例——表明，对于光学投影设备中的每个微显示器（也就是例如对于投影设备的成像元件中的每个微反射镜）都存在该光学投影设备的光源的发光二极管芯片的最大可用发光面。微显示器的展度在此由其面积A及其接受角
Figure DEST_PATH_IMAGE004
来确定。发光二极管发光面的扩大不具有正面效应，因为没有附加的光能够输入耦合到该光学系统中。 
在其中红色和蓝色共享最大可用的发光面而绿色由单个的发光二极管模块生成的双通道投影系统中，蓝色和红色的发光二极管芯片以较高的电流密度运行，因为对于这些发光二极管芯片只有光学投影设备的绿色通道的半个发光面可用。但是，发光二极管的效率尤其在蓝色和绿色发光二极管的情况下剧烈地随着升高的电流密度而下降，使得双通道投影系统的总效率由于该升高的电流密度而受到损失。这里所述的投影系统——该投影系统具有第二光源，该第二光源包括与具有红色发光二极管芯片的第一光源相组合的绿色和蓝色发光二极管芯片的堆叠布置——的优点现在在于，为发射绿光和发射蓝光的发光二极管芯片提供了完全可用的发光面。发射绿光和发射蓝光的发光二极管芯片的电流密度因此不必选择为大于在三通道投影设备时的电流密度，所述三通道投影设备为每种基色使用合适的、单色的发光二极管模块。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，第一光源被设置为发射红光并且第二光源被设置为发射绿光、蓝光和/或蓝绿光。也就是说，在投影设备运行时光源至少分时地发射所述颜色的光。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，第二光源具有镜反射层，该镜反射层在第一发光二极管芯片处固定在背向第二发光二极管芯片的侧处。所述镜反射层例如是介电的和/或金属的反射镜，其适于既反射第一发光二极管芯片的绿光又反射第二发光二极管芯片的蓝光。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，光学投影设备包括控制装置，该控制装置适于在第二光源的第二发光二极管芯片运行时使第二光源的第一发光二极管芯片短路。也就是说，控制装置被设置为总是在第二光源的第二发光二极管芯片运行时使第一发光二极管芯片短路。通过这种方式，在第一发光二极管芯片中生成的载流子对不能辐射地（strahlend）重组。第一发光二极管芯片由此不能通过第二发光二极管芯片的电磁辐射而被激励以再发射光。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，在第二光源的第二发光二极管芯片中在运行时生成的蓝光的一部分在第二光源的第一发光二极管芯片中被吸收并且所吸收的光在那里激励绿光的生成，使得第二光源在第二发光二极管芯片运行时发射由蓝光和绿光构成的混合光。也就是说，在这种情况下，由第二发光二极管芯片的蓝光在第一发光二极管芯片中激励绿光不会由于第一发光二极管芯片的短路而受到抑制，而是附加地生成绿光。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，所述控制装置具有两个运行状态。在第一运行状态中，第二光源的第一发光二极管芯片在第二光源的第二发光二极管芯片运行时被短路，使得第二光源在第二发光二极管芯片运行时发射纯色的蓝光。在第二运行状态中，第一发光二极管芯片在第二光源的第二发光二极管运行时不被短路，使得第二光源在第二发光二极管芯片运行时发射由蓝光和绿光构成的混合光。 
也就是说，借助于所述控制装置可以选择，第二光源是发射纯色的蓝光还是第二光源发射蓝绿混合光。 
在第一运行状态中，投影设备适于以特别大的色空间（Farbraum）显示图像。在第二运行状态中，色空间受到限制，因为不生成纯的蓝光。但是另一方面，第二光源的效率得到提高，因为使用了蓝色散射光的一部分以生成绿光。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，透镜光学地连接到第一光源的发光二极管芯片的辐射出射面。光学地连接在此意味着，所述透镜在没有气隙的情况下布置在发光二极管芯片后面。例如，所述透镜可以直接安放到发光二极管芯片的辐射出射面上。此外可能的是，所述透镜通过例如折射率匹配凝胶（Index Matching Gel）或者光学粘合剂与发光二极管芯片连接。所述透镜尽管具有减少发光二极管芯片的可用发光面的缺点，但是来自发光二极管芯片的红光的输出耦合效率被提高高达70%，使得光学投影设备的效率进一步提高。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，在第一光源与成像元件之间的光路中以及在第二光源与成像元件之间的光路中布置有二向色镜，该二向色镜适于将第一光源的光和第二光源的光偏转到成像元件上。所述二向色镜在此可以通过比在双通道投影设备的情况下明显更不复杂的方式来构造，在所述双通道投影设备的情况下，蓝色和红色发光二极管芯片被布置为一个共同的发光二极管模块。这点的原因尤其在于，绿光和蓝光之间的波长差别明显小于红光和蓝光之间的波长差别。由于更简单的二向色镜，所述光学投影设备具有减小的菲涅耳（fresnelsch）滤波损失并且因此具有提高的效率。 
根据光学投影设备的至少一个实施方式，在第一光源和成像元件的光路中以及在第二光源和成像元件的光路中分别都没有布置光学元件。也就是说，这些光路没有光学元件。换句话说，第一和第二光源直接照亮成像元件。在这种情况下，例如完全地放弃二向色镜。通过两个光源的轻微散焦，也可以在没有其他光学部件的情况下达到照亮成像元件的足够均匀性。三个基色的混合于是直接在成像元件处进行，这在避免菲涅耳损失的情况下允许光学投影设备的非常紧凑的构造形式。因此，所述光学投影设备的特征尤其在于特别高的效率。 
在下文中根据实施例和所属附图详细阐述这里所述的光学投影设备。 
图1A和1B根据示意性的剖视图示出这里所述的光学投影设备的第二光源的实施例。 
图1C根据示意性的电路图示出这里所述的光学投影设备的第二光源的接线。 
图2A、2B和2C用于根据图形化的绘图阐述这里所述的光学投影设备的特性。 
图3示出图形化的绘图，根据该绘图详细阐述这里所述的光学投影设备的特性。 
图4A和4B以示意性的剖视图示出这里所述的光学投影设备的实施例。 
相同的、相同类型的或者起相同作用的元件在图中配备同样的附图标记。这些图和在图中所示元件彼此之间的大小关系不应视为是成比例的。更确切地说，可能为了更好的可表示性和/或为了更好的理解而夸大地示出各个元件。 
图1A示出这里所述的光学投影设备的第二光源2的第一实施方式。该第二光源2包括第一发光二极管芯片21和第二发光二极管芯片22。第二光源2还包括载体25。在载体25与第一发光二极管芯片21之间布置有镜反射层26。第一发光二极管芯片21和第二发光二极管芯片22通过连接器件23彼此连接。在第二发光二极管芯片22的朝向第一发光二极管芯片21的侧处存在接触层24，该接触层24被构造为辐射可透过的。 
第一发光二极管芯片21是发射绿光的发光二极管芯片，其同样基于InGaN半导体材料系统。 
第二发光二极管芯片22是对于绿光为辐射可透过的、无衬底的蓝色发光二极管芯片，其例如基于InGaN半导体材料系统。 
镜反射层26例如是适于既反射绿光又反射蓝光的银镜。载体25例如由锗构成。 
连接器件23被构造为辐射可透过的并且例如由硅树脂和/或环氧树脂构成。辐射可透过的接触层24例如由TCO（透明导电氧化物）构成，诸如ITO（铟锡氧化物）或者IZO（铟锌氧化物）。 
第一发光二极管芯片21可以具有输出耦合结构211，该输出耦合结构211例如由第一发光二极管芯片21的朝向第一发光二极管芯片22的辐射出射面2112的粗糙部构成。 
以相同方式，第二发光二极管芯片22也可以具有输出耦合结构221。第二发光二极管芯片22的输出耦合结构221也可以由粗糙部构成。输出耦合结构211、221分别提高了辐射穿透发光二极管芯片的辐射出射面的概率。 
在第二光源2运行时，第二发光二极管芯片22发射例如蓝光。该蓝光的一部分在此可以到达第一发光二极管芯片21。该蓝光在第一发光二极管芯片21中被部分吸收并且所吸收光的一部分在第一发光二极管芯片21中被转化为绿光。所述蓝光的、到达第一发光二极管芯片21的另一部分在镜反射层26处朝向第二发光二极管芯片22反射并且作为蓝光从第二光源2出射。通过蓝光所激励的绿光（第二光源的总光通量的大约30%）可以用于光生成，由此第二光源2发射蓝绿混合光。这虽然降低了光学投影设备的色空间，但是提高了该光学投影设备的效率。 
替换地，在第二发光二极管芯片22运行时通过第一发光二极管芯片21的短路可以抑制绿光的激励。用于此的电路例如在图1C中详细示出。第二光源2为此包括通过开关实现的控制装置30。第一发光二极管芯片21的接触处29A、29B可以通过控制装置30短路，从而在第二发光二极管芯片22运行时，在第一发光二极管芯片21中不能生成电磁辐射。 
控制装置30因此具有第一运行状态和第二运行状态，在该第一运行状态中第二光源2的第一发光二极管芯片21在第二光源2的第二发光二极管芯片22运行时短路，使得第二光源2在第二发光二极管芯片22运行时发射蓝光，在该第二运行状态中第二光源2在第二发光二极管芯片22运行时发射由蓝光和绿光构成的混合光。 
图1B根据示意性的剖视图示出如可用在这里所述的光学投影设备中的第二光源2的第二实施方式。在该实施方式中，第一发光二极管芯片21和第二发光二极管芯片22单片集成地构造。也就是说，第一发光二极管芯片21和第二发光二极管芯片22外延地彼此重叠地沉积，从而不需要用于连接第一发光二极管芯片21和第二发光二极管芯片22的连接器件23。发光二极管芯片的接触在此借助于通道27a、27b、28来进行，这些通道用导电材料填充并且伸到发光二极管芯片21、22的接触层中。发光二极管芯片21、22的接触通过连接处29a、29b、29c进行。 
与结合图1A所述的光源不同，在图1B中所述的光源的特征在于提高的效率。这点的原因尤其是在于，在连接器件23中或在接触层24中可以不对电磁辐射进行吸收。另一方面，对如在图1B中所示的第二光源的制造由于复杂的、制造通道27a、27b、28所需的光技术而是更加费事的。 
图2A示出如在图1A中所示的第二光源2的输出耦合效率。条形体（Balken）A在此示出具有由IZO构成的厚度为100nm的接触层24的第二光源2的效率。条形体B示出具有250nm厚并且由IZO构成的接触层24的第二光源2的效率。条形体A的输出耦合效率在此为大约80%，条形体B的输出耦合效率为大约67%。也就是说，由于接触层24，光损失预期为至少20%。 
图2B示出关于第二光源2的波长绘制的以mlm/nm为单位的强度，其中绿光的生成由于第一发光二极管芯片21的短路而得到阻止，参见曲线A。还示出了在第二发光二极管芯片22运行时第二光源2的其中绿光的生成未得到阻止的强度，参见曲线B。强度在点D的隆起在此归咎于由来自第二发光二极管芯片22的蓝色光子对绿色光子的激励。通过对第一发光二极管芯片21短路可以抑制绿光的生成，参见区域C。 
图2C示出根据第二光源2的波长的以mlm为单位的累积光通量PhiV，其中在第二发光二极管芯片22运行时禁止在第一发光二极管芯片21中生成绿光，参见曲线B。还以曲线A示出对于绿光的生成不被禁止的情况的累积光通量。如从图2C可看到的那样，第一发光二极管芯片21的绿光可被用于将效率提高总光通量的大约30%（还参见箭头C）。在抑制生成绿光的情况下，反而得出更大的色空间。 
图3示出两个不同的双通道投影设备的以安培每平方毫米为单位的电流密度ρI。在此，光学投影设备是具有0.3’’微显示器和1W的总功率的16：9投影设备。条形体A在此示出红色发光二极管芯片的电流密度，条形体B示出绿色发光二极管芯片的电流密度，并且条形体C示出蓝色发光二极管芯片的电流密度。
左侧的条形体示出如在下面显示的方框中所示情况的电流密度。光学投影设备在此包括第一光源3、红色发光二极管芯片31和蓝色发光二极管芯片32。光学投影设备还包括第二光源4，该第二光源4仅包括绿色发光二极管芯片41。 
右侧的条形体涉及具有在第二光源2中的堆叠的绿色发光二极管芯片21和蓝色发光二极管芯片22以及在第一光源1中的红色发光二极管芯片11的光学投影设备，该红色发光二极管芯片11直接在其辐射输出耦合面13处布置在透镜12后面。 
如从图3的绘图中看到的那样，在右侧示出的情形中，蓝色芯片的电流密度为左侧示出的情形的50%。由此得出光学投影设备的提高的效率。 
图4A以示意性的剖视图示出根据第一实施方式的这里所述的光学投影设备。该光学投影设备包括例如在图3中所示的第一光源1。该光学投影设备还包括例如结合图1A和1B详细描述的第二光源2。该光学投影设备还包括二向色镜5，该二向色镜将第一光源1和第二光源2的光射束统一在一个唯一的光路中。该光学投影设备还包括光学元件6、7，该光学元件6、7例如可以是微透镜阵列6和棒状的混光器7。第一和第二光源的光交替地偏转到成像元件8上，该成像元件8例如是微反射镜阵列。由投影光学系统9将通过成像元件8调制的光偏转到投影面10上。 
结合图4B示出光学投影设备，在该光学投影设备的情况下放弃了光源1、2与成像元件8之间的光学元件。光源1、2的光的均匀化在此通过两个光源的轻微散焦来进行，从而光混合可以直接在成像元件8处进行。 
总之，通过降低蓝色发光二极管芯片的电流密度以及使用红色发光二极管芯片的输出耦合透镜12，相对于包括具有蓝色和红色发光二极管芯片的发光二极管模块以及具有绿色发光二极管芯片的发光二极管模块的光学投影设备而言，所述光学投影设备的效率提高了大约30%。 
本发明不由于根据实施例的描述而限于此。更确切地说，本发明包括每个新特征以及特征的每种组合，这尤其是包含权利要求中的特征的每种组合，即使当该特征或该组合本身没有明确地在权利要求或实施例中说明时也是如此。 
权利要求的保护范围例如还延伸到这样的光学投影设备，在该光学投影设备中使用不同于发射红光、绿光和蓝光的发光二极管芯片的发光二极管芯片。重要的仅仅是，发光二极管芯片所生成的光可以混合成白光。于是在第一光源中使用第一波长范围的至少一个发光二极管。 
在第二光源中使用第二波长范围的至少一个发光二极管芯片作为第一发光二极管芯片以及第三波长范围的至少一个发光二极管芯片作为第二发光二极管芯片。第一波长范围在此包括最长波长的电磁辐射，第二波长范围包括中等波长的电磁辐射，以及第三波长范围包括最短波长的电磁辐射。 
本专利申请要求德国专利申请102009030549.1的优先权，其公开内容通过回引结合于此。 

Claims (9)

1.一种光学投影设备，具有
- 第一光源（1），
- 第二光源（2），和
- 在运行时由第一光源（1）和第二光源（2）照亮的成像元件（8），
其中
- 第一光源（1）包括在运行时发射红光的发光二极管芯片（11），
- 第二光源（2）包括在运行时发射绿光的第一发光二极管芯片（21）和在运行时发射蓝光的第二发光二极管芯片（22），其中第二发光二极管芯片（22）在第一发光二极管芯片（21）上布置在第一发光二极管芯片（21）的辐射出射面（212）处，使得在运行时在第一发光二极管芯片（21）中生成的电磁辐射通过第二发光二极管芯片（22）射出，并且
- 第一光源（1）被设置为发射红光并且第二光源（2）被设置为发射绿光、蓝光和/或由蓝光和绿光构成的混合光。
2.根据权利要求1的光学投影设备，
其中第二光源（2）具有镜反射层（26），所述镜反射层（26）在第一发光二极管芯片（21）处固定在背向第二发光二极管芯片（22）的侧处。
3.根据前述权利要求之一的光学投影设备，
具有控制装置（30），所述控制装置（30）适于在第二光源（2）的第二发光二极管芯片（22）运行时使第二光源（2）的第一发光二极管芯片（21）短路。
4.根据前述权利要求之一的光学投影设备，
其中在第二光源（2）的第二发光二极管芯片（22）中在运行时生成的蓝光的一部分在第二光源（2）的第一发光二极管芯片（21）中被吸收并且在那里激励绿光的生成，使得第二光源（2）在第二发光二极管芯片（22）运行时发射由蓝光和绿光构成的混合光。
5.根据权利要求3和4之一的光学投影设备，
其中所述控制装置（30）
- 具有第一运行状态，在所述第一运行状态中，第二光源（2）的第一发光二极管芯片（21）在第二光源（2）的第二发光二极管芯片（22）运行时被短路，使得第二光源（2）在第二发光二极管芯片（22）运行时发射蓝光，并且
- 具有第二运行状态，在所述第二运行状态中，第二光源（2）在第二发光二极管芯片（22）运行时发射由蓝光和绿光构成的混合光。
6.根据前述权利要求之一的光学投影设备，
其中透镜（12）光学地连接到第一光源（1）的发光二极管芯片（11）的辐射出射面（13）。
7.根据前述权利要求之一的光学投影设备，
其中在第一光源（1）与成像元件（8）之间的光路中和在第二光源（2）与成像元件（8）之间的光路中布置有二向色镜（5）。
8.根据权利要求1至6之一的光学投影设备，
其中第一光源（1）与成像元件（8）之间的光路和第二光源（2）与成像元件（8）之间的光路分别没有光学元件。
9.根据权利要求1至6之一的光学投影设备，
其中第一光源（1）和第二光源（2）直接照亮成像元件（8）。
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