CN110462833A - 多色微型led阵列光源 - Google Patents

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Abstract

各种实施例包含使不同色彩的光束能够良好地重叠的多色微型LED阵列光源。该多色微型LED阵列光源包含：导热基板；及多个不同色彩的微型LED阵列，其整合于该导热基板上。每一阵列内的该微型LED经电连接使得其可全部被一齐驱动。该多色阵列光源还包含控制器，该控制器电耦合至该微型LED阵列且驱动该微型LED阵列。该控制器以下述方式驱动该微型LED：产生具有空间波长的输出光分布及适合于用作光源的角分布。

Description

多色微型LED阵列光源
相关申请的交叉引用
本申请案依据35U.S.C.§119(e)主张2016年11月10日提出申请的序列号为62/420,260的美国临时专利申请案“Full color LED array light source”及2017年9月12日提出申请的序列号为15/701,450的美国专利申请案“Multi-Color Micro-LED ArrayLight Source”的优先权。所有上述申请案的主题通过对其全文引用方式而被并入本文中。
技术领域
本发明大体而言是关于基于单片整合式微型LED阵列的多色光源，举例而言其可用于需要准直全色照明的应用中。不同色彩的微型LED阵列是以交错方式配置以达成更具空间均匀性的色彩混合。
背景技术
发光二极管(LED)广泛用于各种照明应用中，诸如指示灯、交通信号灯、LCD背光照明及一般照明。对于需要全色彩可调整灯的照明应用而言，由单独红色LED芯片、绿色LED芯片及蓝色LED芯片组成的整合式RGB灯模块已被市场广泛采用。
通常，红色、绿色及蓝色LED芯片中的每一个由其自身的控制器独立地控制。透过控制注入至红色LED、绿色LED及蓝色LED中的电流来调整红色光、绿色光及蓝色光的量，由此调谐输出光色彩。然而，诸如舞台照明、环境照明及色彩可调整的自动头灯等特定应用也需要准直光束照明。在传统RGB灯模块中，单独红色LED芯片、绿色LED芯片及蓝色LED芯片是并列放置的。该配置在红色源、绿色源及蓝色源之间产生中心至中心位移，该配置大于芯片大小。当使用共享投影光学器件投影此RGB光源时，经投影红色、绿色及蓝色光束的中心位移被该投影光学器件放大，这导致非期望色彩假影，尤其在投影图案的边缘处。另外，在使用单独红色、绿色及蓝色LED芯片的传统投影系统中，可需要额外光学组件(诸如多个准直透镜及二向色镜)以确保来自不同芯片的光较佳地重叠组合。这给总系统引入复杂性及更大大小。
因此，广泛地需要具备单片整合式组态及更具空间性均匀色彩混合特征的多色光源。
发明内容
作为一实例，整合式RGB灯模块包含交错于导热基板上的红色微型LED阵列、绿色微型LED阵列及蓝色微型LED阵列。通过以尺寸为L/N的红色、绿色及蓝色微型LED的交错式Nx N阵列来替换传统RGB灯模块中的尺寸为L的单独红色、绿色及蓝色LED芯片，红色、绿色及蓝色光源的中心位移由于因子N而减小。此可显著地减少传统RGB灯模块中所存在的色彩假影。
在一个方面，多色LED阵列光源包含：导热基板；及不同色彩的微型LED的阵列，其被单片地整合于该导热基板上。发射不同色彩的微型LED整合于同一基板上以形成单个芯片。举例而言，以下述方式配置微型LED：产生具有空间分布的输出光、适合于用作全色彩准直光束照明光源的色彩可调谐性及角分布。
在一项实施例中，多色微型LED阵列光源包含多个微型LED阵列，其中一个阵列内的所有微型LED都具有相同色彩。每一阵列中的微型LED(举例而言)串联或并联电连接在一起，因此其可被一齐驱动而非个别地受控制。作为一项实例，RGB光源包含红色、绿色及蓝色微型LED阵列。微型LED阵列经实体地配置使得不同色彩LED是交错的。作为一项实例，微型LED可被配置为红色LED、绿色LED及蓝色LED的交错条带。作为另一实例，微型LED可经配置以形成红色LED、绿色LED及蓝色LED的交错像素。
自微型LED阵列光源发射的光是由控制器调制，该控制器可位于芯片上或芯片外。举例而言，可通过比其他色彩的LED更强烈地驱动某些色彩的LED或通过接通不同色彩的LED达不同时间量来控制输出光的色彩。另外，光学结构(诸如折射光学器件及反射光学器件，包含非成像光学器件)可用于塑形所产生光的空间分布及角分布。
与使用安装于基板上的单独大型大小的LED芯片的传统光源相比，整合式多色微型LED阵列光源允许更均匀地混合色彩且更好地调整并对准不同色彩的输出光。另外，不需要对准单独LED芯片所需的额外光学组件，此减少光源及使用这些光源的对应系统的复杂性及大小。
多色微型LED阵列光源可用于各种应用中。某些实例包含涉及大型大小光源的高功率应用，诸如舞台照明、环境照明及色彩可调整自动头灯。作为另一实例，多色微型LED阵列光源可用作数字微型镜装置(DMD)光引擎的光源。
其他方面包含组件、装置、系统、改良、方法、程序、应用及与上述任一者有关的其他技术。
附图说明
本发明实施例具有其他优点及特征，该优点及特征在结合附图时因以下详细说明及随附申请专利范围将更加显而易见，在附图中：
图1展示根据一项实施例的包含多色微型LED阵列光源的光引擎。
图2A是根据一项实施例的实例性多色微型LED阵列光源的俯视图，该实例性多色微型LED阵列光源具有红色、绿色及蓝色LED的交错条带。
图2B是根据一项实施例的在一个实体配置中具有红色、绿色及蓝色微型LED的交错像素的实例性多色微型LED阵列光源的俯视图。
图2C是根据一项实施例的在另一实体配置中具有红色、绿色及蓝色微型LED的交错像素的实例性多色微型LED阵列光源的俯视图。
图3A至图3C是根据一项实施例的实例性灯模块的不同视图，该实例性灯模块利用具有被动准直光学器件的多色微型LED阵列光源。
图4A至图4C是根据一项实施例的利用被动准直光学器件的另一实例性灯模块的不同视图。
图5A至图5B是根据各种实施例的利用被动准直光学器件的又一额外实例性灯模块的剖面图。
图6是根据一项实施例的利用多个准直结构的又一实例性灯模块的剖面图。
图7A至图7B是根据一项实施例的又一实例性灯模块的不同视图。
图8A至图8C是根据各种实施例的又一额外实例性灯模块的剖面图。
图9是根据一项实施例的又一实例性灯模块的剖面图。
图10是根据一项实施例的利用多个准直结构的又一实例性灯模块的剖面图。
图绘示各种实施例仅出于图解说明目的。本领域技术人员将依据以下论述易于认识到，可在不背离本文中所阐述的原则的情况下采用本文中所图解说明的结构及方法的替代实施例。
具体实施方式
图及以下说明是关于仅作为图解说明之用的较佳实施例。应注意，依据以下论述将易于认识到，本文中所揭示的结构及方法的替代实施例是可在不背离所主张内容的原则的情况下采用的可行替代方案。
图1展示根据一项实施例的包含多色微型LED阵列光源110的光引擎100。光引擎100还包含：数字微型镜装置(DMD)140，其调制自光源110输出的光；光学器件120，其将来自光源110的光耦合至DMD 140；及投影透镜150，其将经调制光投影以供显示给终端用户。作为一项实例，LED阵列光源110是使用红色、绿色及蓝色微型LED阵列的RGB光源。作为另一实例，多色微型LED阵列光源110是使用红色、绿色、蓝色及白色微型LED阵列的RGBW光源。与使用每种色彩的单独大型LED芯片的传统光引擎相比，可通过以整合式多色微型LED阵列光源110替换多个LED芯片及对应光学组件显著地减少整体光引擎100的外观尺寸。图1的光引擎是多色微型LED阵列光源的应用的一个实例，但该源还可用于其他应用。
图2A是根据一项实施例的具有红色LED 220R、绿色LED 220G及蓝色LED 220B的交错条带的实例性多色微型LED阵列光源200的俯视图。在图2A中，多色微型LED阵列光源200包含：基板205；不同色彩的微型LED 220的多个阵列，其被单片整合于基板上；及控制器225，其经电耦合以驱动微型LED阵列。在此实例中，控制器225位于芯片上(即，与LED整合于同一芯片)，但其还可位于芯片外。基板205是导热基板，且可由以下材料制成：诸如氮化铝、氧化铝、硅、铝、铜及陶瓷。在一项实施例中，多色微型LED阵列光源200中的LED是具有较佳地不大于100微米的大小的微型LED。在图2A中所展示的实例中，每种色彩的LED有三个条带，且具有不同色彩的LED条带彼此交错。自左侧开始至右侧，LED条带呈红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色等次序，其中每种色彩的条带的数目相同。在替代实施例中，多色微型LED阵列光源的每种光色彩可具有不同数目个条带，且条带可以不同次序配置。
关于制作，彩色LED较佳地是使用外延层制作。在一种方法中，通过经由金-金、金-铟或金-锡共晶接合将外延层自寄主基板转移至导热基板来将不同色彩的微型LED 220的阵列单片地整合式至导热基板205上。美国专利申请案第15/135,217号“SemiconductorDevices with Integrated Thin-Film Transistor Circuitry”及第15/269,954号“Making Semiconductor Devices with Alignment Bonding and Substrate Removal”中阐述了额外制作技术，上述申请案以其全文引用方式并入本文中。
控制器225驱动LED 220R、220G及220B。在图2A中，控制器225经展示为连接至封围LED阵列的虚线边界。为方便起见，未展示与个别LED的连接。在一项实施例中，控制器225一齐驱动所有相同色彩LED。举例而言，控制器225一齐驱动红色LED 220R，一齐驱动绿色LED220G且一齐驱动蓝色LED 220B。此可通过以下方式达成：将所有相同色彩的LED电连接为单个阵列(例如，将其全部并联或串联连接)且然后驱动彼单个阵列。另一选择是，可将相同色彩LED连接为多个阵列，但一齐驱动所有阵列。举例而言，控制器225一齐驱动红色LED220R，一齐驱动绿色LED 220G且一齐驱动蓝色LED 220B。然而，不同色彩可彼此单独地被驱动。以此方式，可由控制器225调整相对色彩内容。在一种方法中，控制器225通过调整用于驱动不同色彩的电流来达成此目的。另一选择是，控制器225可使用时间多任务方法。在某些情形中，可期望一齐驱动所有LED，包含不同色彩的LED。
图2B是根据一项实施例的在一个实体配置中具有红色微型LED 250R、绿色微型LED 250G及蓝色微型LED 250B的交错像素的实例性多色微型LED阵列光源240的俯视图。类似于图2A中所展示的光源200，图2B中的光源240包含：基板245；不同色彩的微型LED 250R、250G及250B的阵列，其整合于基板上；及控制器255，其经电耦合以驱动该微型LED阵列。基板245是导热基板。在光源240中，每一微型LED对应于方形像素。红色LED 250R、绿色LED250G及蓝色LED 250B的交错像素形成光源240的多色微型LED阵列。在LED 250R、250G及250B的实体配置中，LED阵列具有九行像素，其中每一行具有相同色彩的个别像素，且具有不同色彩LED的行彼此交错。图2B仅展示交错像素的实体配置的一个实例。在替代实施例中，微型LED阵列可具有不同实体配置，例如，具有个别微型LED的不同数目个行或列。
图2C是根据一项实施例的在另一实体配置中具有红色微型LED 280R、绿色微型LED 280G及蓝色微型LED 280B的交错像素的实例性多色微型LED阵列光源270的俯视图。光源270包含：导热基板275；不同色彩的微型LED 280R、280G及280B的阵列，其整合于基板上；及控制器285，其经电耦合以驱动该微型LED阵列。在此实例中，LED经配置以使相同色彩的LED形成对角线，如虚线边界所指示。
图3至图11展示利用多色微型LED阵列光源的灯模块的不同实例，该多色微型LED阵列光源具有用以改良所产生光的角分布的额外光学器件。在这些实例中，典型目标是将输出光准直(即，减少输出光的角发散)而不会损害经准直光场的空间均匀性。在一种方法中，通过一组光学器件(诸如准直透镜)将由微型LED产生的在中心发散锥体(即，平行于光轴或在距光轴特定度数内传播)内的光准直。由微型LED以更倾斜的角度产生的其他光是由一组不同光学器件(诸如反射器)准直。
图3A至图3C是根据一项实施例的利用具有被动准直光学器件的多色微型LED阵列光源的实例性灯模块的不同视图。图3A是灯模块300的透视图，灯模块300是可用于透射器、舞台灯或头灯的多色光源的实例。图3B是灯模块300的俯视图，其展示安装于散热片330上且由反射杯320环绕的多色微型LED阵列光源310。图3C是灯模块300的剖面图，其展示散热片330、安装于散热片上的光源310及环绕光源的反射杯320。散热片330用作用于定位光源310的机械底座以及用于散除热量的热路径。
如图3C中所展示，反射杯320具有反射内表面，该反射内表面环绕光源310上方的空间。在此实例中，反射杯320的形状是圆锥形截锥体。反射杯320是被动光学器件，其反射自光源310输出的光中的某些光，因此增加由灯模块300产生的光的总体准直。已经相当准直的光束(诸如光束340A)不会射向反射杯320且自灯模块300浮现而不由被动反射器320重新引导。相比而言，不太准直的光束(诸如光束340B)将射向反射器320且被重新引导至更准直方向。在图3C中，光束340B的发散角度自角度332减小至角度334。由灯模块300输出的光的发散度被减小。
图4A至图4C是根据一项实施例的利用被动准直光学器件的另一实例性灯模块的不同视图。图4A展示灯模块400的折射准直光学器件的透视图。图4B及图4C展示使用折射光学器件的灯模块的俯视图及剖面图。此灯模块包含被折射光学器件420环绕的多色微型LED阵列光源410。其还包含散热片430，其中光源410定位于该散热片上。在此设计中，折射结构420是固体，而非使用围绕光源410的空间。折射结构420的侧壁反射自光源410输出的光的部分。举例而言，光束440B由折射光学器件420的侧面反射，且其发散角度自角度432被减小至角度434。反射可归因于全内反射，或其可归因于侧壁涂布有反射材料。
图5A至图5B是根据各种实施例的利用被动准直光学器件520、570的又一额外实例性灯模块500、550的剖面图。这些设计类似于图3A至图3C及图4A至图4C中的设计。该两者皆包含安装于散热片540、590上的多色微型LED阵列光源510、560。每一个还具有被动准直光学器件520、570。然而，准直光学器件520、570的形状是不同的。光学器件520、570的形状是通过绕中心轴旋转曲线(而非线段)产生。在一个设计中，这些光学器件可是非成像光学器件，其将由相对小光源510、560产生的广泛发散光转换成自非成像光学器件的全孔径浮现的最大程度上准直光(具有较窄发散角度)。在此设计中，光束可自反射器520、570的侧面反射多次。
图6至图11展示对图5A中所展示的灯模块的另一改进。在图6中，灯模块包含额外准直结构620，额外准直结构620用于将由光源510产生的中心光束630准直。光源510嵌于额外准直结构620内。
图7A至图7B是根据一项实施例的利用多色微型LED阵列光源及被动准直光学器件的另一实例性灯模块的不同视图。图7A是剖面图，且图7B是俯视图。在图7中，灯模块包括悬置光学器件720，举例而言将由虚线标示的中心光束730准直的单个透镜。透镜720放置于光源510上方一个焦距处，其中透镜720的光轴穿过光源510的中心。反射杯用于将来自光源510的倾斜角光束准直，此由实线标示。俯视图展示用以将透镜720悬置于光源510上方的透镜固持器750的一个实例。图7仅展示一个实例。在替代实施例中，其他类型的额外聚焦结构可定位于光源510上方以将中心光束准直。
图8A至图8C展示更复杂结构820、822、824。这些设计帮助将中心光束830准直。在图8A中，光源510是嵌入的，但与图6的灯模块相比，结构820的顶部表面与光源间隔开。在图8A中，该间隔是通过使结构820更高而达成。在图8B中，光源510是非嵌入的。结构822的背侧是中空的以为光源510形成空间。
在图8C中，结构824具有复合顶部表面。中心折射光学器件的特征在于自由形式表面设计，其中具有半径R1的球形表面827叠加于具有半径R2的半球形表面828的顶部上，其中R1<R2<2*R1。自由表面中心光学器件经设计，使得半径为R2的底部半球体828的中心与由半径为R1的球形表面827形成的透镜的焦点重合。光源510经定位使得其中心与此焦点重合。在此设计中，照射于表面827的射线由于光源510位于彼表面的焦点处而被准直。照射于表面828的射线由于光源510位于彼表面的中心处而未被更改。随后，这些倾斜光束由周围反射光学器件(即反射杯)准直。图8中的多色微型LED光源的光提取效率由于嵌入于高折射率媒介中而被提高。
图9展示使用反射光学器件920的方法。在此，反射表面920A至920B将中心光束930准直。在图10中，使用微型透镜阵列1040来将中心光束1130准直。
尽管详细说明含有诸多细节，但这些细节不应被视为限制本发明的范畴而是应被视为仅图解说明不同实例。应了解，本发明的范畴包含上文未详细论述的其他实施例。可在不背离随附申请专利范围中所定义的精神及范畴的情况下，对本文中所揭示的配置、操作及方法细节做出熟习此项技术者将明了的各种其他修改、改变及变化。因此，本发明的范畴应由申请专利范围及其法律等效内容来判定。

Claims (20)

1.一种多色微型LED阵列光源，其包括：
导热基板；及
多个微型LED阵列，其单片地整合于所述导热基板上，其中来自所有所述阵列的所述微型LED总计包括以交错方式配置的至少两种不同色彩的微型LED，且每一阵列包括：
复数个微型LED，其全部是同一色彩；
驱动器输入，其用于接收用于所述复数个微型LED的驱动器信号；及
电连接，其将所述复数个微型LED连接至所述驱动器输入，其中所述复数个微型LED由所述驱动器信号一齐驱动。
2.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其中每一微型LED的至少一个横向尺寸小于100微米。
3.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其中每一微型LED的所有横向尺寸皆小于100微米。
4.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其中所述多个微型LED阵列包括至少一个红色微型LED阵列、至少一个绿色微型LED阵列及至少一个蓝色微型LED阵列。
5.根据权利要求4所述的多色微型LED阵列光源，其中所述多个微型LED阵列进一步包括至少一个白色微型LED阵列。
6.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其中所述多个微型LED阵列包括每一不同色彩的微型LED的至少两个阵列。
7.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其中对于每一阵列而言，所述阵列内的所有所述微型LED是并联或串联电连接。
8.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其进一步包括：
控制器，其产生用于不同色彩的所述多个微型LED阵列的所述驱动器信号。
9.根据权利要求8所述的多色微型LED阵列光源，其中所述控制器一齐驱动所述不同色彩中每一色彩的所有所述微型LED，但彼此单独地驱动每一不同色彩。
10.根据权利要求8所述的多色微型LED阵列光源，其中所述控制器一齐驱动所有所述不同色彩的所有所述微型LED。
11.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其中所述微型LED是条带，其中不同色彩的条带沿着一个横向尺寸交错。
12.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其中所述微型LED是像素，其中不同色彩的像素沿着两个横向尺寸交错。
13.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其中所述微型LED是薄膜微型LED，其包括外延层、n电极及p电极，其中生长基板被移除。
14.根据权利要求13所述的多色微型LED阵列光源，其中通过经由共晶接合将所述外延层自寄主基板转移至所述导热基板而将所述薄膜微型LED单片地整合于所述导热基板上。
15.根据权利要求1所述的多色微型LED阵列光源，其进一步包括：
被动准直光学器件，其整合于所述导热基板上，所述被动准直光学器件减少由所述LED产生的输出光的角发散。
16.根据权利要求15所述的多色微型LED阵列光源，其中所述被动准直光学器件包含：
反射杯，其用于将由所述微型LED阵列产生的在中心发散锥体外部的光准直；及
折射光学器件，其位于所述反射杯内部且位于所述微型LED阵列上方，用于将由所述微型LED阵列产生的在所述中心发散锥体内的光准直。
17.根据权利要求16所述的多色微型LED阵列光源，其中所述折射光学器件包含折射透镜，所述折射透镜居中位于所述微型LED阵列上且位于所述微型LED阵列上方一个焦距处。
18.根据权利要求16所述的多色微型LED阵列光源，其中所述折射光学器件是自由形式的折射光学器件。
19.根据权利要求16所述的多色微型LED阵列光源，其中所述折射光学器件包含叠加于折射半球体的顶部上的折射透镜，其中所述折射透镜的焦点与所述折射半球体的中心重合。
20.一种光引擎，其包括：
多色微型LED阵列光源，所述多色微型LED阵列光源包括：
导热基板；及
多个微型LED阵列，其单片地整合于所述导热基板上，其中来自所有所述阵列的所述微型LED总计包括以交错方式配置的至少两种不同色彩的微型LED，且每一阵列包括：
复数个微型LED，其全部是同一色彩；
驱动器输入，其用于接收用于所述复数个微型LED的驱动器信号；及
电连接，其将所述复数个微型LED连接至所述驱动器输入，其中所述复数个微型LED由所述驱动器信号一齐驱动；
数字微型镜装置，其调制来自所述多色微型LED阵列光源的输出光分布；
光学器件，其将自所述多色LED阵列光源去往所述数字微型镜装置的所述输出光分布准直；及
投影透镜，其将经调制光投影以供显示给终端用户。
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