CN117378195A - 改进的µ-LED投影设备和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实现一种用于LED阵列的投影设备，其具有：LED阵列(1)，在所述LED阵列上以规则的间距设置有多个微型LED(1a、1b、1c)；与LED阵列(1)间隔开的投影光学器件(4)，所述投影光学器件能够接收由阵列(1)发出的光并且将其投影到投影面上；和具有各个突起部(3)的聚光结构(2)。根据本发明，突起部(3)光学地耦合到LED阵列(1)的各个LED(1a、1b、1c)上，使得所述突起部限制由各个LED(1a、1b、1c)放射的光的角空间和/或使放射均匀。同样阐述投影设备的制造。

Description

改进的µ-LED投影设备和其制造方法
相关申请的交叉参引
本申请要求2021年5月27日的德国专利申请10 2021 113 695.4的优先权，其公开内容通过参引结合到本申请中。
技术领域
本发明以常规的μ-LED投影设备，即具有已知的非常小的发光二极管(下面称为μ-LED，Light emitting diode(发光二极管))的投影设备为出发点。
背景技术
通常，μ-LED在消费者范围内尚未经常用于投影应用。相反地，主要使用常规LED所使用的其他技术，如DLP(“数字光处理(digital light processsing)”)技术或(透射光或反射)LCD技术。
在DLP(Digital Light Processing(数字光处理))技术时，光经由DMD(“DigitalMicromirror Device(数字微镜设备)”)成像到投影面上，在此涉及芯片，在所述芯片上存在直至220万个直角设置的、微小的镜。借助于在相应的镜下方的极小的电极，所述镜运动。每个镜都安装在关节上，进而可以朝向光源或背离光源转动。
为了产生彩色显示，镜阵列在时间上顺序地借助三原色R、G和B照射，并且从中产生的图像在投影面上叠加。为了实现这些，白色光源通常通过快速转动的“ColorWheel”或色轮辐射到DMD上，“ColorWheel”或色轮具有三个不同的区段，所述区段分别允许特定颜色(红、绿或蓝)的光通过。转动与微镜的翻转同步，使得分别产生单色的期望图像。
除DLP外，第二种广泛使用的投影技术是LCD技术。LCD投影仪借助于透明液晶显示器(如名称“LCD”，Liquid Crystal Display(液晶显示器)已经说明的那样)产生其图像。所述液晶显示器与常规幻灯机类似地工作。区别为，LCD投影仪装有一个或三个LCD(每个RGB颜色一个)，而不是幻灯片。根据施加的电场，LCD的晶体的定向发生变化，从而允许更多或更少的光通过。因为LCD显示器如今相对便宜，所以每种原色(红、绿、蓝)都有自己的显示器。这意味着：在此不存在原色的时移投影(没有彩虹效应)。三个光束同时经由二向色镜离开投影仪的透镜系统。
其一个变型形式利用反射型LCD。在所述反射型LCD的情况下，为了耦合输出光可以充分利用光的偏振在反射时发生改变。例如，US2004145 706A1示出上文示出的原理的这种改型，其在光学路径的设计方面具有优点。
在汽车领域中也越来越多地使用投影应用，例如在动态的内部投影中，如所谓的“平视显示器(HeadUp-Displays)”或在外部区域中的动态的“欢迎光(Welcome-Light)”。在此，然而常规白光投影仪的特定缺点显现；因此传统的明亮的光源、如白炽灯是相对振动敏感的，此外机械构件、如色轮也是大声的，这刚好在豪华汽车领域中和在较低噪声的内部空间方面特别在未来的电动车中可能是成问题的。此外，这种构造是相对大的，因为要么必须设有用于三个LCD的三个光路及其复合，要么必须设有用于色轮的空间，使得结构尺寸的减小遇到原理决定的困难。
在所有这些方法中，将白光分解为原色(通常红、绿和蓝)并且随后根据原色和期望的图像朝向投影面使其通过或挡住或(在DMD的情况下)从投影光路中转向(并且随后被吸收)，以便产生期望的图像。因此，所述系统是减色系统，所述减色系统由于结构决定地无法完全使用所产生的光。换言之，光必须被吸收，以便示出暗的/黑的像素。
作为替选方案可设想LED阵列，如其例如形成常规平板屏幕的基础。较新的研究可以使LED进一步变小，使得提及μLED或微型LED。μLED在此作为矩阵或阵列设置，并且LED芯片本身具有在μm(百万分之一米)的范围内的边长。像素间距(Pitch)例如为几μm至几十μm。这种矩阵可以由RGB-LED组成，然而对于其他应用，也可考虑单色的(一色的)矩阵。
然而，这些μ-LED在常规车身中具有过小的亮度，因为其放射到宽的半空间角中，使得在下游连接的常规成像光学器件无法足够地接收光和投影。
另一方面已知的是，将LED为了改进光学耦合输出与聚光结构组合。例如，S.Lan、B.Tang、H.Hu和S.Zhou在“Strategically constructed patterned sapphire withsilica array to boost substrate performance in GaN-based flip-chip visiblelight-emitting diodes”，Opt.Express 28，38444-38455(2020)中阐述了提高GaN-LED(基于氮化镓的发光二极管)的效率，其方式为：将锥形图案化的蓝宝石硅阵列(patternedsapphire with silica array，PSSA)用作为基底，在所述基体上构造LED。由此，Led的光收益可以提高16.5％，其方式为：可以更好地利用否则在光学路径中向后放射的光，所述光在PSS结构处反射。
Tsou，Chingfu&Chang，Chunming&Lai，Tenghsien&Huang，Chenghan(2013)在“Theimplementation and performance evaluation of asilicon-based LED packagingmodule with lens configuration”，微系统技术，19.10.1007/s00542-013-1773-4中描述了用于带有非球面透镜和微透镜矩阵的硅基LED的传递成型工艺。为此将微机电技术，即实质上常规的剥离技术，然而在微型尺寸中，用于制造模具。所述模具随后通过压入而传递到晶片的环氧化物和硅树脂凝胶外罩上，由此实现物镜构造和反射器关于硅晶片的精确的和可重复的定向。与未结构化的弯曲的面相比，借助仅一个非球面透镜给出亮度和填充系数的16％至26％的提高。此外，使照亮统一。
发明内容
本发明的目的是，实现用于LED、尤其微型LED阵列的进一步改进的投影设备。原则上，本发明的使用不限于微型LED。
所述目的通过根据权利要求1的LED投影设备和根据权利要求7的用于制造所述LED投影设备的方法来实现。
特别有利的设计方案在从属权利要求中得出。
根据本发明的用于LED阵列的投影设备包括：LED阵列，在所述LED阵列上以规则的间距设置有例如多个微型LED；和与LED阵列间隔开的投影光学器件，所述投影光学器件能够接收由阵列发出的光并且将其投影到投影面上。根据本发明的投影设备还包括具有各个突起部的聚光结构，其中突起部光学耦合于LED阵列的各个LED，使得所述突起部限制由各个LED放射的光的角空间和/或使放射均匀。
这种根据本发明的投影设备包括聚光结构，所述聚光结构在通常情况下直接安置到(微型)LED上并且实际上将所有从各个LED或LED阵列、例如LED的RGB装置中放射的光会聚。借此，在光耦合输入到投影光学器件中之前，所述结构减小放射角。因此，得出较大的光收益，使得LED投影变得更亮从而才对于多个应用变得可行。此外，聚光结构可借助良好已知的方法、例如光化学刻蚀高精度地且低成本地制造。此外，所述结构在光学路径中具有非常短的构造，使得对应的投影光学器件可明显更紧凑地构造。因为根据本发明的结构可实现将LED用于亮的投影仪，所以所述结构此外与现有技术相比可以更简单地构造。因此，与针对现有技术所描述的三个LCD或DMD和色轮相比需要仅一个LED阵列，因此既不需要机械部件(色轮和DMD)的精确的同步，也不需要(穿过三个LCD的)三个光学路径彼此的精确的定向和同步。因此，根据本发明的装置可以装入较低成本却仍性能卓越的投影光学器件中。
特别优选地，聚光结构具有圆锥状的突起部。圆锥状的突起部的最上方的面在此与LED或阵列的射出要投影的图像的光点的部分耦合。如果突起部圆锥状地、即以锥的方式成形，则出自LED或由多个LED构成的阵列的光在锥体作用下扩展为较宽的光点。由此可行的是，在LED之间对于连接线等所需的间距在投影光学器件之前已经在图像中变得完全不可见。这种锥体类似于在连接两个不同厚度的纤维时的纤维光学器件中的锥部地作用。在此特别有利的是，在LED之间的所需的间距可以保持相对大，而不损害成像的质量。
如果投影设备设置在折射率比聚光结构的折射率更小的介质中，例如设置在空气或水中，其具有比对于氧化硅的1.5的典型的折射率更小的折射率，并且此外锥角对应地匹配于所属的LED的最大放射角，则LED的所有光通过全反射保持在锥体中并且到达聚光结构的与LED相对置的出射面。替选地，圆锥体也可以在外部设有镜反射部，例如通过蒸镀或溅射，以便保证在非特定的环境中所有耦合输入的光也在与LED相对置的侧上从聚光结构中射出并且可用于投影。通过这两种可能性可以进一步优化光收益。
突起部或锥部可以覆盖一个(微型)LED或多个(微型)LED，使得所述突起部或锥部与其耦合。如果突起部覆盖多个LED，则更好的是，在彩色阵列(例如具有红色、绿色和蓝色LED的阵列)的情况下，分别覆盖总体上得出白光的LED装置。在这种情况下，对于聚光结构中的每个突起部可以产生任意颜色的且具有最优亮度的点并且由投影设备成像。在单色LED阵列中，这种装置具有以下优点，通过接通或关断LED可以逐级地调节亮度，对于(常规)调节附加地例如经由脉宽调制。
通常，聚光结构的突起部允许平坦地平放在对应的阵列的LED的平坦的表面上，以便实现理想的耦合输入。然而也可设想的是，聚光结构具有弯曲的进而光学有效的表面，以便将来自所属的LED的射束会聚或另外地在该部位处已经设有成像级。由此也可以在一些情况下进一步提高光收益。
除了设备以外，也要求保护用于制造具有前述特征的设备的方法。
附图说明
下面，本发明应根据一个实施例(多个实施例)详细阐述。附图示出：
图1示出常规的LED阵列的一个实例，所述LED阵列可在本发明的实施方式中使用；
图2示出在图1中的μ-LED阵列的各个μ-LED上的根据本发明的聚光结构的一个实例；
图3示出用于改进光学耦合输出的结构的基本工作方式；和
图4a至4d示出根据另外的实施方式的聚光结构的可能的形状。
具体实施方式
图1示出微型LED阵列或μ-LED阵列的一个实例，作为用于在根据本发明的投影设备中使用的LED阵列1(下面简称：阵列)的一个实例。在本实施方式中，使用彩色的阵列，其中三原色红(R)、绿(G)和蓝(B)的LED以事先规定的图案设置。为了以黑白示出，在此作为用于红光的符号选择从左下到右上的阴影线，对蓝光选择从左上到右下的阴影线，和对绿光选择交叉阴影线。
这种阵列根据操控发射彩色的光，使得直接可以加色地产生明亮的图像。多个平板屏幕使用类似的布置，所述布置不仅具有微型LED、而且还具有常规的LED或OLED(有机LED)。LED的可能的布置在此是类似的，即使尺度不同。因此，彩色的LED(或μ-LED或微型LED)的可能的布置是良好已知的并且未描述。当然，对于简单的投影也可以使用单色的μ-LED阵列。
图2以PSS(patterned saphire substrate，带图案的蓝宝石基板)或PSSA(patterned saphire with silica array，具有二氧化硅阵列的带图案的蓝宝石)结构2为例示出根据本发明的聚光结构的一个实例。这种结构的制造原则上是已知的(参见作为现有技术提到的文章)进而在此仅概略地阐述。首先，将蓝宝石基板用保护层包覆，保护层例如由SiO2构成。在所述层上涂覆光致抗蚀漆，所述光致抗蚀漆随后经由具有期望结构的光刻光学器件曝光。随后，将漆的未经曝光的部分去除并且将露出的SiO2以及位于其下方的蓝宝石层刻蚀掉。所述方法本身从半导体制造中已知，并且也可行的是，实施多个覆层、曝光和刻蚀步骤，以便产生更复杂的几何形状。因此可以产生高精度的结构。在当前情况下目标是，构成结构，使得制成的基板具有突起部3，所述突起部匹配于μ-LED阵列1上的微型LED。也就是说，聚光结构的突起部的中点彼此间具有与微型LED的中点彼此间相同的间距，换言之，突起部与微型LED是全等的。
在下一步骤中，将聚光结构2与μ-LED阵列1光学地耦合，即将其在最简单的情况下相叠放置并且(例如借助外部的夹子等)按压在一起。替选地，胶合或其他形式的装配也是可行的。决定性的是，将阵列和聚光结构定向成，使得每个突起部与所属的μ-LED光学地耦合。对应的定向例如可以通过如下方式实现，即在光学有效的面之外彼此匹配的突起部和凹陷部设置在构件1和2中，所述构件在相叠放置时交错匹配并且将聚光结构2和μ-LED阵列1彼此定向。
以这种方式，那么聚光结构的突起部3各自位于阵列1的μ-LED上，使得其彼此光学地耦合。如在图2中通过两个示例性的射束示出的，沿任意方向在半空间中向上发射的光束通过在这里锥部形(圆锥形)构成的突起部3中的全反射而会聚并且朝向投影光学器件4发射。
因此，由μ-LED阵列发射的所有光在作为聚光结构2的PSS结构中被接收并且发送到投影物镜中。由此，与不具有聚光结构2可实现的相比，实现明显更高的光收益。
PSS结构在现有技术中用于改进在LED的情况下的光学耦合输出。图3a示出PSS结构，所述PSS结构用作为反射性的聚光结构。在此，将具有n型掺杂和p型掺杂的GaN层的LED施加在PSS上。由在p型掺杂层和n型掺杂层之间的有源层产生的光首先沿所有方向放射，然而在图案处反射，使得放射角受限，如根据角度θC PSS(作为在不具有特定图案化的结构的情况下的放射角)和θC CSS(作为在以示出的方式图案化的PSS结构的情况下的放射角)的比较在图3b中变得清楚，其近似三维地图解说明在图3a中示出的、始于特定点的射束。要注意的是，射束在从LED过渡到空气中时的折射在图3a中被忽略，因为所述射束仅以固定因数与(在此p型掺杂的)GaN面的折射率相关地并且与在此有关的效应无关地影响放射角的减小。
图4a至4d再次如上述那样图解说明作为聚光结构的PSS结构的突起部的可通过光刻和随后的刻蚀制造的形状的一个实例。如从上向下可见的，首先(图4a)涂覆光刻胶6并且将其结构化地曝光，并且随后通过移除光刻胶6的未曝光的部分连同刻蚀来产生蓝宝石基板5的突起部的(在此锥部形的)结构(图4b和4c)。作为最终结果可以示例性地产生在图4d中示出的结构，所述结构于是如在图2中图解说明的那样放置到微型LED阵列上，以便产生根据本发明的投影设备。所述结构能够如提到的那样以高的精度和品质以可良好控制的形式制造，由此所述结构能够在几何形状方面良好地匹配于通过光学器件确定的必要性。
在本实施方式中，示出一个实例，其中平放在LED上的面是平坦的面。然而也可设想的是，聚光结构制造为，使得其例如伸入到微型LED阵列1的微型LED之间的间隙中并且完全地包围LED 1a、1b、1c。由此可以实现发射的光的再更好的耦合输入，这还可以简化两个构件彼此间的定向。此外，聚光结构的与微型LED 1a、1b、1c耦合的面也可以是弯曲的，以便已经作用为“第一透镜”。以所述方式也能够进一步提高投影设备的光收益。因此，聚光结构2的与微型LED 1a、1b、1c耦合的面的对应的设计方案不局限于在实施例中示出的平坦的面，而是可以根据应用情况来调整。
如果在应用情况下应当识别，在聚光结构2中的全反射并不充分地作用并且过多的光已经在突起部的外面处离开聚光结构，则也可行的是，将所述结构镜面化，与现有技术中的实例类似地在图3a中图解说明。由此可以将再更多的散射光会聚和利用。
附图标记列表
微型LED阵列 1
微型LED(红、蓝、绿) 1a，1b，1c
聚光结构(PSS结构) 2
突起部(锥部) 3
投影光学器件 4
PSS结构 5
光刻胶 6

Claims (12)

1.一种用于LED阵列的投影设备，具有
LED阵列(1)，在所述LED阵列上以规则的间距设置有多个微型LED(1a、1b、1c)，
与所述LED阵列(1)间隔开的投影光学器件(4)，所述投影光学器件能够接收由所述阵列(1)发出的光并且将其投影到投影面上，和
具有各个突起部(3)的聚光结构(2)，
其特征在于，
所述突起部(3)光学地耦合于所述LED阵列(1)的各个LED(1a、1b、1c)，使得所述突起部限制由各个LED(1a、1b、1c)放射的光的角空间和/或使放射均匀。
2.根据权利要求1所述的用于LED阵列的投影设备，
其中所述聚光结构(2)具有圆锥形的突起部(3)。
3.根据权利要求2所述的用于LED阵列的投影设备，
其中所述投影设备设置在具有比所述聚光结构(2)的折射率更小的折射率的介质、优选空气中，并且所述突起部(3)的锥角具有与所述LED(1a、1b、1c)的最大放射角配合的由锥体角度和折射率构成的组合，使得所述LED(1a、1b、1c)的耦合输入的光通过在所述突起部(3)中的全反射仅在与所述LED(1a、1b、1c)相对置的侧上从所述聚光结构(2)中射出。
4.根据上述权利要求中任一项所述的用于LED阵列的投影设备，
其中所述聚光结构(2)将优选具有不同的色彩辐射的多个微型LED(1a、1b、1c)与共同的突起部(3)光学地耦合。
5.根据上述权利要求中任一项所述的用于LED阵列的投影设备，
其中所述聚光结构(2)的所有朝向所述LED(1a、1b、1c)的面除了能够与所述微型LED耦合的面以外都设有镜反射的覆层。
6.根据上述权利要求中任一项所述的用于LED阵列的投影设备，
其特征在于，
所述突起部(2)的能够与所述LED(1a、1b、1c)耦合的面具有曲率。
7.一种用于制造根据上述权利要求中任一项所述的用于LED阵列的投影设备的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供LED阵列(1)；
-提供具有突起部(3)的聚光结构(2)，所述突起部匹配于所述LED阵列(1)上的LED(1a、1b、1c)，和
-将所述聚光结构(2)与所述LED阵列(1)连接，使得每个突起部(3)与至少一个LED(1a、1b、1c)光学地耦合。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法具有如下步骤：以朝向所述LED阵列(1)锥状地逐渐变细的形状制造所述突起部(3)。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法具有另外的步骤：
将所述投影设备设置在具有比所述聚光结构(2)的折射率更小的折射率的介质、优选空气中，和
使所述突起部(3)的锥角与所述LED(1a、1b、1c)的最大放射角度和所述突起部(3)的材料的折射率配合，使得所属的LED(1a、1b、1c)的耦合输入的光通过在所述突起部(3)中的全反射仅在与所述LED(1a、1b、1c)相对置的侧上从所述聚光结构(2)中射出。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，所述方法具有如下步骤：将突起部与多个所属的微型LED耦合。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，所述方法具有另外的步骤：除了能够与所述微型LED耦合的面以外，将所述聚光结构的所有朝向所述微型LED阵列的面的镜面化。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，所述方法具有另外的步骤：制造所述突起部，使得所述突起部的能够与所述微型LED耦合的面具有曲率。
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