CN112684657A - 一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法包括以下步骤：选取介质材料用于制作基底与微结构；设计微结构，所述微结构满足仅改变结构尺寸即可覆盖0‑2π相位调制深度；读取固态发光芯片或芯片阵列光源的相位分布；根据光源相位分布确定不同调制深度的微结构的摆放位置；加工全介质超材料相位调控元件，所述相位调控元件包括基底与微结构；将加工好的相位调控元件与光源进行封装。本发明的方法可实现提高收光效率，降低元件尺寸，且可将相位调控元件与光源集成一起。

Description

一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法

技术领域

本发明涉及投影显示技术领域，特别涉及一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法。

背景技术

现有的投影系统一般采用透镜组件准直固态发光芯片或芯片阵列光源。传统的准直透镜组的面型一般是凸透镜甚至是非球面，通过调控曲率、厚度、间距等来实现准直，而要提高光能利用率就需要制造高精度的透镜组，会增大口径，提高加工工艺，不利于小型化，而想要缩小体积，势必会损失光能，两者不能兼得，必须有所权衡取舍。且凸透镜或非球面也会增加镀膜难度。此外，准直透镜组元件难与固态发光芯片或芯片阵列光源集成在一起。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，可实现提高收光效率，降低元件尺寸，且可将相位调控元件与光源集成一起。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，包括以下步骤：

步骤1.选取介质材料用于制作基底与微结构，所述基底用于支撑微结构；本方案的基底与微结构均采用高透射率的介质材料，因此不必像透镜组一样镀膜以提高光源透过率；

步骤2.设计微结构，所述微结构满足仅改变结构尺寸即可覆盖0-2π相位调制深度，且所述微结构也可设计为宽频带相位调制；则可适用于不同波长的准直，提高适用范围；

步骤3.读取固态发光芯片或芯片阵列光源的相位分布；

步骤4.根据光源相位分布确定不同调制深度的微结构的摆放位置；

步骤5.加工全介质超材料相位调控元件，所述相位调控元件包括基底与微结构；

步骤6.将加工好的相位调控元件与光源进行封装；

本发明的准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，利用全介质超材料相位调控元件来实现对光源相位的精确调控，从而实现准直效果，相位调控元件包括基底及基底一面或两面相错排布的微结构阵列，通过调节微结构尺寸实现0到2π的相位调控范围，从而实现对光源相位的精确控制，这会避免收光效率与体积小型化的取舍，可以在保证口径较小的同时保证收光效率，且由于是平面结构，易集成，可与光源集成在一起，且该全介质超材料元件本身具有高透过率，无需采用镀膜提高透过率，在设计过程中，还可将微结构实现宽频带相位调制，增加适用范围。

进一步地，所述步骤5中可采用化学沉淀或刻蚀的方式加工全介质超材料相位调控元件。

进一步地，所述全介质超材料相位调控元件的加工方式为：先采用化学气相淀积在基底上方沉积设计厚度的微结构介质材料，然后采用深反应离子束刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀出不同尺寸的微结构；由于该技术在刻蚀过程中引入钝化气体，刻蚀与钝化循环交替进行，很好地保护了侧壁的垂直度，有利于批量化生产。

进一步地，所述步骤6中封装元件与光源时，元件与光源间的间隙不超过预设间隙阈值。

进一步地，所述光源为固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列。

进一步地，所述微结构在基底一面或两面按照特定相位分布排布并构成微结构阵列。本方案的全介质超材料相位调控元件通过调节微结构周期，柱高和尺寸均会影响对相位的调控，但是考虑到实际加工应用，在确定了对应波长后，将周期及柱高优化固定后，仅通过改变微结构尺寸来调控相位，实现0到2π的相位调控范围。

进一步地，所述微结构的形状为工字型、圆形、方形、矩形、十字型或V型等任意三维立体结构形状。通过调节结构尺寸实现不同相位的调制深度，微结构尺寸不同，其材料占空比不同，即材料的等效折射率不同，因此其相位的调制深度不同。

进一步地，所述微结构阵列是根据固态发光芯片或固态发光芯片阵列的相位分布来排布微结构，具体根据光源波前相位φ(x，y)得出与平面波前相位差△φ(x，y)，再根据△φ(x，y)排布该调制深度的微结构，通过精确调控光源相位实现准直效果。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

采用本发明的准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，通过调节全介质超材料相位调控元件中的微结构尺寸即可实现0到2π的相位调控范围，从而根据固态发光芯片或芯片阵列光源相位来排布微结构阵列，实现对光源相位的精确控制，从而实现准直效果，这会避免收光效率与体积小型化的取舍，可以在保证口径较小的同时保证收光效率，且由于是平面结构，会极大缩小体积，易集成，可与光源集成在一起，且该全介质超材料结构本身具有高透过率，无需采用镀膜提高透过率。同时，在设计微结构时，可以设计实现宽频带相位调制，这样就可适用于不同波长的准直，增加准直装置的适用范围。

附图说明

图1是本发明的准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法的流程示意图。

图2是本发明的一个实施例的相位调控元件单元的示意图。

图3是本发明的一个实施例的相位调控元件与光源的示意图。

图4是本发明的一个实施例的相位调控元件与光源的示意图。

图5是本发明的一个实施例的相位调控元件与光源的示意图。

图6是本发明的一个实施例的相位调控元件与光源的示意图。

图7是本发明的一个实施例的相位调控元件与光源的示意图。

图8是本发明的一个实施例的相位调控元件与光源的示意图。

附图标记：1-基底，2-单元微结构阵列、3-光源。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

实施例一：

一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，通过利用全介质超材料相位调控元件来实现对固态发光芯片或芯片阵列光源的准直效果，可实现不再使用传统的透镜组件。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1.选取介质材料用于制作基底与微结构，所述基底用于支撑微结构。

本方案的基底与微结构均采用高透射率的介质材料，因此不必像透镜组一样镀膜以提高光源透过率。

步骤2.设计微结构。

所述微结构满足仅改变结构尺寸即可覆盖0-2π相位调制深度，且所述微结构可设计为宽频带相位调制；则可适用于不同波长的准直，提高适用范围。

具体的，本实施例中，微结构可以是工字型、圆形、方形、矩形、十字型、V型等任意三维立体结构形状，微结构尺寸不同，其材料占空比不同，即材料的等效折射率不同，因此其相位的调制深度不同。且微结构及基底材料均采用高透射率的介质材料。结构的基底用于支撑微结构，使微结构附着在基底上方，作为优选，本实施例中，基底采用二氧化硅材料，微结构采用硅材料，微结构使用工字型。

步骤3.读取固态发光芯片或芯片阵列光源的相位分布。

其中，光源为固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列。

步骤4.根据光源相位分布确定不同调制深度的微结构的摆放位置。

具体的，微结构在基底靠近或远离光源的表面按照特定相位分布排布并构成微结构阵列。本方案的全介质超材料相位调控元件通过调节微结构周期，柱高和尺寸均会影响对相位的调控，但是考虑到实际加工应用，在确定了对应波长后，将周期及柱高优化固定后，仅通过改变微结构尺寸来调控相位，实现0到2π的相位调控范围。

本实施例中，如图2所示，调节微结构周期p，柱高h和尺寸(L1、L2、L3)均会影响对相位的调控，但是考虑到实际加工应用，在确定了对应波长后，将周期p、厚度t及柱高h优化固定后，即可实现仅通过改变微结构尺寸(L1、L2、L3)来调控相位，实现0到2π的相位调控范围。

微结构设计好以后，根据固态发光芯片或芯片阵列光源的相位分布来排布微结构阵列具体位置，本实施例中，微结构阵列是根据固态发光芯片或固态发光芯片阵列的相位分布来排布微结构，具体根据光源波前相位φ(x，y)得出与平面波前相位差△φ(x，y)，再根据△φ(x，y)排布该调制深度的微结构，通过精确调控光源相位实现准直效果。

步骤5.加工全介质超材料相位调控元件，所述相位调控元件包括基底与微结构。

本实施例中，具体采用化学沉淀和刻蚀的方式加工全介质超材料相位调控元件。具体的，所述全介质超材料相位调控元件的加工放入为：先采用化学气相淀积在基底上方沉积设计厚度的微结构介质材料，然后采用深反应离子束刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀出不同尺寸的微结构；由于该技术在刻蚀过程中引入钝化气体，刻蚀与钝化循环交替进行，很好地保护了侧壁的垂直度，有利于批量化生产。

步骤6.将加工好的相位调控元件与光源进行封装，且封装时，所述相位调控元件可朝向光源一面，也可朝向背离的光源一面。封装元件与光源时，元件与光源间的间隙不超过预设间隙阈值。

如图3至图6所示，全介质超材料相位调控元件可紧贴在所述固态发光芯片或芯片阵列的发光面上，也可留一定空气间隙，与光源封装在一起，微结构阵列可朝向靠近光源一侧，也可朝向远离光源一侧。

本实施例的全介质超材料结构本身具有高透过率，无需采用镀膜提高透过率，且在设计微结构时，可以设计实现宽频带相位调制，这样就可适用于不同波长的准直，提高适用范围。

综上可知，本发明的准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，利用全介质超材料相位调控元件来实现对光源相位的精确调控，从而实现准直效果，相位调控元件包括基底及基底一面或两面相错排布的微结构阵列，通过调节微结构尺寸实现0到2π的相位调控范围，从而实现对光源相位的精确控制，这会避免收光效率与体积小型化的取舍，可以在保证口径较小的同时保证收光效率，且由于是平面结构，易集成，可与光源集成在一起，且该全介质超材料元件本身具有高透过率，无需采用镀膜提高透过率，在设计过程中，还可将微结构实现宽频带相位调制，增加适用范围。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，如图7至图8所示，微结构阵列是在基底两侧按照特定相位调制深度的位置进行排列，且两侧微结构阵列位置相错开。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.选取介质材料用于制作基底与微结构，所述基底用于支撑微结构；

步骤2.设计微结构，所述微结构满足仅改变结构尺寸即可覆盖0-2π相位调制深度，且所述微结构可设计为宽频带相位调制；

步骤3.读取固态发光芯片或芯片阵列光源的相位分布；

步骤4.根据光源相位分布确定不同调制深度的微结构的摆放位置；

步骤5.加工全介质超材料相位调控元件，所述相位调控元件包括基底与微结构；

步骤6.将加工好的相位调控元件与光源进行封装。

2.根据权利要求1所述的一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，所述步骤5中可采用化学沉淀或刻蚀的方式加工全介质超材料相位调控元件。

3.根据权利要求2所述的一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，所述全介质超材料相位调控元件的加工方式为：先采用化学气相淀积在基底上方沉积设计厚度的微结构介质材料，然后采用深反应离子束刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀出不同尺寸的微结构。

4.根据权利要求1所述的一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，所述步骤6中封装元件与光源时，元件与光源间的间隙不超过预设间隙阈值。

5.根据权利要求1所述的一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，所述光源为固态发光芯片或由复数个固态发光芯片构成的固态发光芯片阵列。

6.根据权利要求5所述的一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，所述微结构在基底一面或两面按照特定相位分布排布并构成微结构阵列。

7.根据权利要求6所述的一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，所述微结构的形状为任意三维立体结构形状。

8.根据权利要求7所述的一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，所述微结构的形状为工字型、圆形、方形、矩形、十字型或V型。

9.根据权利要求6所述的一种准直固态发光芯片或芯片阵列光源的方法，其特征在于，所述微结构阵列是根据固态发光芯片或固态发光芯片阵列的相位分布来排布微结构，具体根据光源波前相位φ(x，y)得出与平面波前相位差△φ(x，y)，再根据△φ(x，y)排布该调制深度的微结构。

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