CN105122450A - 光学装置和显示设备 - Google Patents

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Abstract

一种光学装置，包括：多个在载体(1)上的发光芯片(2)。在此，第一发光芯片分别包括第一组(21)的像素，并且第二发光芯片分别包括第二组(22)的像素。各一个第一发光芯片和第二发光芯片在第一单元格(E1)中平面地设置在载体(1)上。此外，提出一种光学元件，所述光学元件沿放射方向在发光芯片(2)的下游设置。所述光学元件设计成，引导由第一组和第二组(21，22)的像素发射的光，使得第一组(21)的像素的光和第二组(22)的像素的光在耦合输出平面(7)中在第二单元格(E2)中聚集，其中第二单元格(E2)分别具有小于每个第一单元格(E1)的面积的面积。

Description

光学装置和显示设备
技术领域
本发明涉及一种光学装置和一种显示设备。
背景技术
现代的显示设备、如显示器通常基于由多个图像元件或像素构成的装置。这种显示器的分辨率大致上与图像元件本身的大小相关。为了制造高分辨率的显示器，能够使用基于发光二极管或者LED(lightemittingdiodes)的发光芯片。为了显色，多个小的发光LED芯片必须以三个原色、如红色、绿色、蓝色(RGB)构成。在HDTV(high-definitiontelevision，高清晰度电视机)的情况下，需要大约6百万个芯片。这种方式具有不同的缺点。一方面，多个小的芯片的安置和接触需要大量时间的和技术的耗费。此外，小的芯片的效率和面积利用由于在制造过程中的面积损耗、例如由于通过分离和接触造成的面积损耗而降低。最后，与较大的芯片相比，小的芯片对于小电流问题是更易受影响的。
替选地，能够使用原色的、如通常蓝色的像素化的LED芯片并且其像素交替地设置用于其他颜色、如绿色和红色的适当的转换元件。除了缺少高效的且稳定的红色转换器以外，尤其地，转换元件的大约100μm的必需的厚度是能实现的最小像素大小的几何限制。
存在对下述光学装置和显示设备的需求，所述显示设备能够以更简单的工艺制造并且能够提供高的分辨率。
发明内容
在一个实施方式中，光学装置包括多个在载体上的发光芯片。光学装置包括第一发光芯片，所述第一发光芯片分别具有第一组的多个像素。此外，装置包括第二发光芯片，所述第二发光芯片分别具有第二组的多个像素。此外，各一个第一发光芯片和第二发光芯片在第一单元格中平面地设置在载体上。光学装置还包括光学元件，所述光学元件沿放射方向在发光芯片的下游设置。
光学元件构建成用于，将由第一组和第二组的像素发射的光在耦合输出平面中在第二单元格中聚集，使得至少一个第二单元格具有小于每个第一单元格的面积的面积。还可能的是，每个第二单元格具有小于每个第一单元格的面积的面积。例如，光学装置包括一个第一单元格和至少两个第二单元格，其中第二单元格分别具有小于第一单元格的面积的面积。
载体例如由陶瓷材料制成并且具有电连接装置，以便能够将光学装置与控制单元连接。在此，优选地，第一组的像素构建成发射第一波长的光，而第二组的像素构建成发射另一波长的光。例如，第一组的像素发射红光，而第二组的像素发射绿光或反之。然而，也可能的是，第一组的像素或第二组的像素发射蓝光。也称为图像元件的各个像素优选借助发光二极管实现。光学元件优选包括光学部件，如透镜、尤其菲涅尔透镜、光栅或二元衍射元件。
术语“单元格”涉及发光芯片的装置或各个发光芯片的排成组的发光面。在第一单元格之内分别设置有具有第一组的像素的一个或多个发光芯片和具有第二组的像素的一个或多个发光芯片，其中优选地，第一单元格中的相应的芯片的数量和/或设置是相同的。一组的像素优选是彼此相邻的。此外，这些像素还优选在下述范围中是彼此类似的，即一组的像素具有相同的峰值或主波长或在相同的光谱范围中发射或具有相同的生产类型。能够出现制造相关的偏差，如不同的放射强度。具有一组的像素的发光芯片与具有其他的、优选不同的组的像素的另一发光芯片相邻。尤其，相邻的发光芯片的能够用于描述发光元件的最小单元形成本发明的范围的第一单元格。此外，术语“在载体上平面的设置”理解为，发光芯片不仅能够并排地、例如成行地、而且能够矩阵式地设置。
第二单元格在耦合输出平面中限定。所述第二单元格包括不同组的像素的由光学元件引导的光。尤其，第二单元格是耦合输出平面中的相邻像素的能够用于描述耦合输出平面中的光的再分配的最小单元。
通过使用分别具有相同类型的发光的图像元件或像素的组的发光芯片，简化的制造方法是可能的。在相应的发光芯片中，组合相同类型的组的像素。这对于制造是有利的，因为能够放弃例如拜耳矩阵类型的、具有不同的滤色器的过滤装置或者与各个像素相关联的转换器。这使得制造方法不仅更简单、而且也更成本适宜。
通过使用光学元件，实现整个光学装置的高的分辨率，因为在第二单元格中分别聚集不同组的像素的光，尽管在第一单元格中具有相同类型的像素的组的发光芯片分别彼此相邻。尤其，分辨率不受到发光芯片的大小、例如其棱长限制。更确切地说，能实现的分辨率与像素本身的大小相关，其发射的光通过光学元件再分配。
再分配引起，不同波长的光在第二单元格中聚集，并且所述单元格的面积小于第一单元格，所述第一单元格基本上通过具有相同类型的像素的组的发光芯片形成。因此，光学装置将由芯片发射的光再分配，使得所得到的(由像素构成的)第二单元格小于(由芯片构成的)第一单元格。换言之，光学装置能够将由芯片发射的光转向并且此外聚焦。像素的第二单元格例如具有比第一单元格小的棱长、即其四分之一的棱长。由此得出用于直接发射的RGB显示器的构造的优点。
根据另一个实施方式，第三发光芯片平面地设置在载体上并且分别具有第三组的多个像素。现在，第一单元格包括各一个第一、第二和第三发光芯片。
第三组的像素能够发射分别与由第一组的像素发射的光的波长和由第二组的像素发射的光的波长不同的波长的光。尤其，第一、第二和第三组的像素能够发射光，所述光分别具有与其他两组的像素的光不同的光谱色。因此，例如，一组的像素产生红光，另一组的像素产生绿光并且最后一组的像素产生蓝光。因此，第一、第二和第三发光芯片产生三种不同颜色的光。
光学元件在此构建成，将由第一、第二和第三组的像素发射的光在耦合输出平面中聚集到第二单元格中，使得至少一个第二单元格具有小于每个第一单元格的面积的面积。
通过使用具有第三组的像素的第三发光芯片，借助光学装置能够示出其他颜色。因此，例如得到用于示出特定的色彩模式的基本配置。第一、第二和第三组的像素例如能够与RGB色彩模式的原色红、绿和蓝相关联。因此，光学元件能够提供第二单元格，所述第二单元格具有三个原色进而例如具有所有RGB原色。
根据另一个实施方式，第一、第二和第三发光芯片分别横向地或以矩阵设置的方式并排地设置在载体上。
根据另一个实施方式，至少第四发光芯片平面地设置在载体上并且分别具有至少第四组的多个像素。在该情况下，第一单元格包括各一个第一、第二、第三和至少一个第四发光芯片。例如，第四组的像素能够发射绿光。
光学元件在此构建成，将由第一、第二、第三和至少第四组的像素发射的光在耦合输出平面中聚集到第二单元格中，使得至少一个第二单元格具有小于每个第一单元格的面积的面积。
至少第四发光芯片的应用是基于两个或三个不同的发光芯片的至今为止提出的装置的改进方案。在此，可能的是，第四组中的像素分别与第四颜色相关联，使得借助光学装置能够示出基于四个原色的色彩模型。但是，也可能的是，总共四个发光芯片中的两个发光芯片或其相应的像素组发射相同的波长进而例如能够示出具有红色、两次绿色、蓝色的拜耳矩阵。其他的关联同样是可能的，分别具有第五组的多个像素的第五发光芯片等同样是可能的。
根据另一个实施方式，至少一个第一单元格具有多个第一或第二发光芯片。
根据另一个实施方式，载体具有平坦的或弯曲的面。以这种方式，光学装置能够在一个平面中、例如作为发光面或显示器使用。然而，同样可能的是，装置根据三维形式借助于弯曲的载体构成。
根据另一个实施方式，第一、第二、第三和/或第四发光芯片以规则的二维网格设置在载体上。尤其，规则的二维网格能够是周期性的或近似周期性的。
网格例如通过发光芯片在载体上在第一单元格中限定的设置的周期性的或近似周期性的重复得出。优选地，重复通过在载体的面中沿两个不同方向的平移来限定。因此，由于光学元件的该设计方案，也在耦合输出平面中基于第二单元格得到重复的网格。
根据另一个实施方式，规则的二维网格具有正方形的、六边形的或准晶的网格。
在此，可能的是，发光芯片根据二维网格以正方形、六边形的或准晶的网格的形式设置。如果例如目标应用是弯曲的、平面的直接显示器，那么能够考虑相应的弯曲的芯片装置，例如适合于构成球状的足球的是五边形的和六边形的二维网格。
此外，可考虑的是，发光芯片的像素的相应的组以正方形的、六边形的或准晶的图案设置。因此，相应的二维网格能够实现为，使得相应的发光芯片沿着其外棱边彼此相邻地或直接彼此邻接地设置，进而二维网格以正方形、六边形的形式或通常以多边形的形式形成。
规则的网格能够通过单元格沿三个空间方向的周期性的重复来构成，进而仅具有2重、3重、4重、6重的对称性。然而，双倍单元格(或更高次的单元格)也能够以非周期性的方式重复并且在本申请的范围中表示准晶的网格。一个示例例如是所谓的彭罗斯网格。
在另一个实施方式中，其他的发光芯片平面地、尤其平坦地设置在载体上，并且分别包括另一组的像素。因此，第一单元格包括各一个第一、第二、第三、第四和其他的发光芯片，例如分别具有第五组的多个像素的第五发光芯片。
因此，光学元件构建成，将由第一、第二、第三、第四和其他组的像素发射的光在耦合输出平面中聚集到第二单元格中，使得至少一个第二单元格具有小于每个第一单元格的面积的面积。此外，每个第二单元格能够具有小于每个第一单元格的面积的面积。
其他发光芯片以及其他组的像素的应用在一定程度上是光学装置的上述原理的概括。因此，可能的是，具有不同的发光像素的发光芯片以灵活的类型和方式组合成较大的装置。
根据另一个实施方式，集成由载体、发光芯片和光学元件构成的混合件。在该情况下，在光学装置的制造期间，得到下述构件，所述构件的部件已经在制造时彼此定向进而是校准稳定的。替选地，可能的是，载体装配有发光芯片和光学元件。在该情况下，光学装置是模块化的并且各个部件能够彼此分开地制造。因此，例如可能的是，基于晶片制造光学装置。优选地，将包括光学元件的微光学晶片和发光晶片分开地制造并且然后连接。
根据另一个实施方式，光学元件包括由微透镜构成的装置。在此，微透镜构建成，将由发光芯片发射的光的发散的射束准直。
此外，能够将平行的射束聚集。因此，借助于微透镜实现射束引导，使得将发光芯片的相应的像素的光引导到第二单元格中。
根据另一个实施方式，光学元件包括棱镜装置。在此，棱镜装置构建成，引导光和/或使光转向。
借助于棱镜装置，将不同发光芯片的像素的相应的组的光从第一单元格再分配到第二单元格中。棱镜装置能够构成为，使得用于不同像素的各个棱镜的定向和倾斜角分别是不同的。
在另一个实施方式中，微透镜装置和棱镜装置整体地集成在光学元件中。
根据另一个实施方式，微透镜装置和棱镜装置构成为单独的元件。
根据另一个实施方式，在载体上设置的像素能够分别单独地控制。尤其，能够设定可控的像素的分别发射的光的强度。
以该方式，例如能够实现显示器，例如LED直接显示器，即不具有LCD图像生成器的显示器。此外，对于具有其像素均匀发光的LED的显示器而言，必须在下游接入成像元件、例如LCD。这还具有相对更高的分辨率的优点。
根据另一个实施方式，设置在载体上的像素构建成，发射根据色彩模型标准的光。色彩模型标准尤其能够包括RGB或RGBY色彩模型。
根据一个实施方式，显示设备包括光学装置，如其在上文中示出的那样。此外，显示设备具有控制单元，以控制设置在载体上的像素。
在适当大小的载体上能够设置有多个发光芯片。在此，第一单元格是最小的单元。以该方式，光学装置能够组合成显示设备、如屏幕、电视机或监视器并且运行。在给出的、例如用于HDTV显示器(HighDefinitionTelevision，高清晰度电视的英语)的分辨率的情况下，前面提出的类型的具有像素化的芯片和所描述的光学元件的显示器与由小的单芯片构成的相似的显示器相比需要明显更少的芯片。
附图说明
在下文中，以多个实施例根据附图详细阐述本发明。只要部件或器件在其功能方面相对应，那么其描述不在每个随后的附图中重复。
附图示出：
图1A、1B、1C示出光学装置的实施例；以及
图2示出光学装置的另一个实施例。
具体实施方式
图1A示出光学装置的一个示例性的实施方式。在例如能够由陶瓷构造的系统载体1上设置有多个发光芯片2。发光芯片2分别包括发光像素的组21、22、23，所述发光像素分别构建成用于：发射不同的颜色。因此，在图1A中，一个发光芯片2例如具有第一组21的像素。另一个发光芯片2具有第二组22的像素，并且第三发光芯片2包括第三组23的相应的像素。例如，组21、22、23的不同的像素能够发射红色、绿色和蓝色。在所述示例性的实施方式中，具有第一、第二和第三组21、22、23的三个发光芯片横向地并排设置进而形成第一单元格E1。
系统载体1和像素化的发光芯片2能够是整体构件。替选地，系统载体能够单独地制成并且随后装配有各个芯片。在附图中没有示出电布线、以及相应的部件、例如粘接剂、焊料、焊盘、接合线等的和构造的细节。各个芯片的像素典型地具有在50μm的范围中的直径WP并且相互间以20μm至30μm在像素网格中设置。芯片具有在1000μm的数量级中的棱长ΛC。
沿放射方向在发光芯片的下游设置有由微透镜3构成的阵列，跟随有棱镜阵列4、以及另一个棱镜阵列5和另一个微透镜阵列6。这些光学部件形成用于由不同组的像素发射的光的准直和转向的光学元件。替选地或补充地，代替微透镜和/或棱镜，也能够使用光栅、全息元件、菲涅尔透镜以及二元衍射元件。此外，示出耦合输出平面7(也称作为评估平面)，所述耦合输出平面如在下面示出的那样对应于具有以像素的方式再分配的发射面的新的光源。
在图1A中，没有示出光学元件的其他细节。这例如包括用于光学通道分离的隔板、例如在评估平面7上的其他隔板、机械的和校准部件、如间隔保持件、校准标记等。
在所述图1A中作为具有带有组21、22和23的三个像素化的发光芯片的局部示出的光学装置运行时，第一组21、第二组22和第三组23的像素分别根据其发射光谱发射。在该示例性的实施方式中，例如第一组21的像素发射红光，第二组22的像素发射绿光并且第三组23的像素发射蓝光。各个像素能够设有其他光学装置、例如透镜，然而通常以发散的类型和方式放射。
各个射束在微透镜阵列3上射到分别在各个像素的下游设置的相应的微透镜3上。这些微透镜3将各个像素的光准直，所述光由像素分别发散地放射。现在，各个光束以准直的、优选平行的方式射到在下游设置的棱镜阵列4上，其中所述元件将准直的光以预设的角度转向。相应的角度在像素与像素之间能够是不同的。然而，角度选择为，使得随后，分别转向的光束转向到第二棱镜阵列5上并且在那里再次平行于阵列5的法线转向。附加地，第二微透镜阵列6位于下述位置中，使得能够检测之前通过第一和第二棱镜阵列4、5转向的光束并且将所述光束聚焦到在下游设置的耦合输出平面7上。对此，第二微透镜阵列6中的各个透镜的位置同样匹配于之前通过棱镜阵列4、5转向的光束的转向角。
因此，在耦合输出平面7中，通过微透镜阵列3、6和棱镜阵列4、5对由发光芯片的像素发射的光束进行再分配，使得如在图中通过虚线示出的那样，各三个颜色作为再分配的像素21’、22’和23’在第二单元格E2中相邻。换言之，即通过由光学元件引起的再分配，能够实现光学装置的分辨率的提高。
在图1中仅以局部示出光学装置，所述局部包括三个不同的发光芯片。分别在示出的局部的左侧或右侧上，能够连接根据在上文中阐述的原理的相应的其他发光芯片。此外，可能的是，在此示出的线性装置通过二维的其他装置补充进而得到平面的二维的光学元件。
图1B示出光学装置的另一个示例性的实施方式。在此示出的光学装置基于在图1A中示出的装置，相反地仅第一微透镜阵列3和第二棱镜阵列4或第二棱镜阵列5和第二微透镜阵列6分别一件式地、例如作为整体构件构成。
图1C示出根据前面提出的原理的光学装置的另一个示例性的实施方式。所述装置也基于在图1A中示出的装置。形成光学元件的部件、即第一和第二微透镜阵列3、6以及第一和第二棱镜阵列4、5在此共同地由整体构件包括。
图2示出光学装置的另一个示例性的实施方式。在此示出的装置是具有由四个发光芯片构成的正方形的第一单元格E1的平面的二维装置，所述发光芯片形成正方形的图案。在此，设有两个相同类型的发光芯片。为发光像素的每个第一、第二和第三组21、22、23在装置中设有至少一个发光芯片。第一组21的像素例如发射红光，第二组22的像素例如发射绿光并且第三组23的像素例如发射蓝光。
以类似的方式，如示意地在图1A至1C中示出的，在发光芯片之上以在下游设置的方式存在相应的光学元件，所述光学元件分别包括第一和第二微透镜阵列和第一和第二棱镜阵列。在此，设定光学元件，使得由像素发射的光从第一单元格E1发射到第二单元格E2中，以至于相邻的像素分别包含不同的颜色进而实现提高的分辨率。由于光学元件进行的再分配在图中通过白色的箭头示出。
微透镜阵列3、6的和棱镜阵列4、5的实施方案与根据图1A至1C的实施方式类似。后者沿着一个方向准直和引导由各个像素发射的光。原则上可能的是，所述原理针对二维装置应用于其行或列。然而，能够有利的是，微透镜阵列3、6和棱镜阵列4、5构建成，使得在发光芯片的行和列之间也再分配光。这此外具有下述优点，仅必须将像素的光略微转向。
微透镜的直径优选不低于50μm，借此其光学特性基本上是屈光的。有利的是，通过棱镜阵列进行的角度转向是小的，例如小于30°、优选小于15°、特别优选小于10°。如果由芯片上的像素发射的光在俯视图中仅转向至在耦合输出平面7中相邻的像素，那么是这种情况。
示出的光学装置将由发光芯片、例如LED芯片发射的光再分配，使得所得到的、具有像素组21、22、23的第二单元格E2小于通过芯片装置本身限定的第一单元格E1。在图2中，像素的第二单元格E2具有小于芯片的第一单元格E1的棱长、即其四分之一的棱长。由此，得出用于直接发射的RGB显示器的构造的优点。实际的数值例如对于芯片的棱长ΛC而言是500μm，以及对于像素的棱长或网格值ΛP而言是100μm。因此，例如得出下述关系：
芯片网格常数/像素网格常数
＝(ΛC/ΛP)＝5
芯片面积/像素面积
＝(ΛC/ΛP)2＝25。
在给出分辨率(例如对于HDTV)的情况下，由像素化的芯片构成的并且具有所描述的光学装置的直接LED显示器需要比由小的单芯片构成的直接LED显示器更少的、即25分之一的芯片。
本发明不局限于根据实施例进行的描述。更确切地说，本发明包括每个新特征以及特征的任意的组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的任意的组合，即使所述特征或所述组合自身没有明确地在权利要求或实施例中说明时也如此。
本申请要求德国专利申请DE102013104046.2的优先权，其公开内容通过参引结合于此。

Claims (17)

1.一种光学装置，所述光学装置包括：
-多个在载体(1)上的发光芯片(2)，其中第一发光芯片分别具有第一组(21)的多个像素，第二发光芯片分别具有第二组(22)的多个像素，并且各一个所述第一发光芯片和所述第二发光芯片在第一单元格(E1)中平面地设置在所述载体(1)上，和
-光学元件，所述光学元件沿放射方向在所述发光芯片(2)的下游设置并且构建成用于，将由所述第一组和第二组(21，22)的像素发射的光在耦合输出平面(7)中聚集到第二单元格(E2)中，使得至少一个第二单元格(E2)的面积小于第一单元格(E1)的面积。
2.根据上一项权利要求所述的光学装置，其中
-第三发光芯片平面地设置在所述载体(1)上并且分别具有第三组(23)的像素；
-所述第一单元格(E1)包括各一个所述第一发光芯片、所述第二发光芯片和所述第三发光芯片，并且
-所述光学元件构建成，将由所述第一组、第二组和第三组(21，22，23)的像素发射的光在所述耦合输出平面(7)中聚集到第二单元格(E2)中，使得至少一个第二单元格(E2)的面积小于第一单元格(E1)的面积。
3.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，其中
所述第一发光芯片、所述第二发光芯片和所述第三发光芯片发射成对不同颜色的光。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，其中
每个所述第二单元格(E2)的面积小于每个所述第一单元格(E1)的面积。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中各一个第一发光芯片、第二发光芯片和第三发光芯片横向并排地或以矩阵设置的方式设置在所述载体(1)上。
6.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，其中
-至少第四发光芯片平面地设置在所述载体上并且分别具有至少一个第四组(21、22、23)的像素，
-所述第一单元格(E1)包括各一个所述第一发光芯片、所述第二发光芯片、所述第三发光芯片和至少所述第四发光芯片，并且
-所述光学元件构建成，将由所述第一组、第二组、第三组和至少所述第四组(21、22、23)的像素发射的光在所述耦合输出平面(7)中聚集到第二单元格(E2)中，使得至少一个第二单元格(E2)的面积小于第一单元格(E1)的面积。
7.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中至少一个所述第一单元格(E1)具有多个第一发光芯片或第二发光芯片。
8.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中所述载体(1)具有平坦的或弯曲的面。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中所述第一发光芯片、第二发光芯片、第三发光芯片和/或第四发光芯片以规则的二维网格设置在所述载体(1)上。
10.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中所述规则的二维网格具有正方形的、六边形的或准晶的图案。
11.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中
-包括所述载体(1)、所述发光芯片和所述光学元件的混合件是集成的，或
-所述载体(1)装配有所述发光芯片和所述光学元件。
12.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中所述光学元件具有由微透镜(3，6)构成的装置，所述微透镜构建成，将由所述发光芯片发射的光的发散的射束平行化和/或将平行的射束聚集。
13.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中所述光学元件具有棱镜装置(4，5)，所述棱镜装置构建成，引导光和/或使光转向。
14.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中所述微透镜装置(3，6)和所述棱镜装置(4，5)
-整体地集成在所述光学元件中，或
-构成为单独的元件。
15.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中至少一个发光芯片的像素是能单独控制的，尤其分别由所述像素发射的光的强度是能调节的。
16.根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，
其中所述像素构建成，根据色彩模型标准、尤其根据RGB或RGBY色彩模型来发射光。
17.一种显示设备，所述显示设备包括：
-根据上述权利要求中任一项所述的光学装置，和
-用于控制像素的控制单元。
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