TW200815709A - Integrating light source module - Google Patents

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Jennifer Lynn Grace
Patrick Rene Destain
William Earl Phillips Iii
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3M Innovative Properties Co
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Description

200815709 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種光源模組。 【先前技術】 光源模組最廣泛地用於具有包括投影顯示器、液晶顯示 器（LCD)之背光及其他應用的多種應用之照明系統中。投影 系統通常包括一光源、照明光學元件、一成像裝置、投影 光學元件，及一投影幕。該等照明光學元件自一光源收集 光且以一預定方式將光導向至一或多個成像裝置。藉由一 經電子調節及處理之數位視訊信號控制之該等成像裝置產 生一對應於該視訊信號之影像。投影光學元件接著放大該 影像並將其投影至該投影幕上。白光光源（諸如弧光燈）結合 色輪已經且仍主要用作投影顯示系統之光源。然而，近來， 發光二極體（LED)歸因於其較長壽命、較高效率及優越熱特 性而被引入作為一替代光源。 LED通常包括一安裝於一金屬頭座（metal header)上之 LED晶粒或晶片。該頭座可具有一其中安裝該LED晶粒之反 射杯（reflective cup)及連接至LED晶粒之電導線。一些封裝 亦可包括一密封LED晶粒之模製透明樹脂。該密封樹脂可 具有一使自該晶粒發射之光部分地準直之標稱半球正面， 或一標稱平面。此外，可使一光學元件與一 LED晶粒之表 面接觸或緊密接近，從而耦合光或自其處’’提取’’光以便減 少該晶粒内所截獲之光的量。 又，可將提取結構形成或定位於LED發射器上以幫助耦 123351.doc 200815709 合LED晶粒外部之光，進而防止光被截獲於其中並浪費。 舉例而言，使LED晶粒之發射表面變粗糙或在此表面上提 供大量刻面或其他結構（諸如次波長結構）可用以增強自該 LED晶粒之光提取。其他提取結構包括高提取光子晶體結 構及線柵提取組件。其他提取結構還包括如美國專利申請 案公告 US2006/0091411(Ouderkirk 等人）之"High Brightness LED Package，，、US2006/0091798(Ouderkirk 等人）2f，High Brightness LED Package With Compound Optical Element(s)，，及 US2006/0092532(Ouderkirk 等人）之"High Brightness LED Package With Multiple Optical Elements"中 所揭示之玻璃或陶瓷提取器或提取器陣列。 固態照明、光學元件及顯示元件中之新近改善允許極小 全色投影儀得以產生。為了使此等彩色投影儀足夠小至可 併入一手機中，研究極其有效且緊密的組合色彩之方法係 必要的。存在兩種產生彩色投影之主要方法。第一種方法 (已知為”色序法（Color-Sequential)")使用二向色合光鏡 (X-cube)以重疊來自個別紅光、綠光及藍光光源之光且將此 等色彩以一特定時間序列方式成像於一單色微顯示器上。 第二種方法（已知為”濾色法”）需要藉由紅色/綠色/藍色濾色 器將一白光光源成像至微顯示器上。 提供以上論述僅用於通用背景資訊，且並非意欲被用作 幫助確定所主張標的物之範疇。 【發明内容】 提供一種光源模組，其包含一具有至少一發光表面之發 123351.doc 200815709 射器及一安裝於該發射表面上方之至少部分中空的積體光 學兀件；其中該中空區域内之折射率小於沿光徑之後續介 質之折射率。該積體光學元件具有一面向該發射表面之近 端’及一背離該發射表面之遠端。該積體光學元件之遠端 係平坦的且具有一不同於該發射器之縱橫比的矩形縱橫 比。光學薄膜及/或一諸如一集光透鏡（c〇Uecti〇n lens)之光 學組件可附者至該積體光學元件之遠端。 提供此發明内容以便按一簡化形式引入將在以下實施方 式中得到進一步描述之概念的選擇。此發明内容並非意欲 識別所主張標的物之關鍵特徵或本質特徵，也並非意欲被 用作幫助確定所主張標的物之範脅。 【實施方式】 所揭示之實施例提供一用於自一 LED光源提取光之有效 機制。必要時’該等所揭示實施例亦可用於組合來自led 發射器之色彩。此等所揭示實施例藉由消除色序法中對合 光鏡之需求及消除對習知上已運用於色彩投影之色序法及 濾色法中之變形及費涅透鏡之需求而致能色序及濾色技術 之更緊密版本。 又，使用本文所揭示之桿式積光器或隧道式積光·器技 術，使用在晶粒之表面上具有提取結構的LED係可能的， 而不會干擾彼等結構之所期望的光提取功能。儘管提取結 構並未詳細圖示於本揭示内容之附圖中，但是本文所揭示 之每一實施例應被解釋為可視需要涵蓋此等特徵，雖然並 不需要該等特徵。 h 123351.doc 200815709 所揭示之設計在某些方面與同期教示相反：增加高折射 率LED晶粒或晶片之提取效率的唯一方法係將其密封於一 具有最高可用折射率（意即，盡可能接近LED晶粒之折射率） 之介質中。使用此同期教示的LED光源之基本實例展示於 題為"Light Emitting Diodes with Improved Light Extraction Efficiency”之美國專利申請案（US 2002/0030194 Al)的先前 技術圖1A中。此照明光源包括一 LED發射器，其呈定位於 一金屬頭座上之一晶粒或晶片的形式。導線接合提供至該 LED發射器的電連接。該發射器接合至一透明光學元件， 該光學元件對於由活性區域發射之光具有較佳大於約 1.5、更佳大於約1.8的折射率。 如所論述的，所揭示實施例脫離習知的密封技術，並替 代在LED發射器與一後續光學元件之間利用一相對低折射 率之介質或光學元件。該等益處類似於以上參考題為’’LED Source with Hollow Collection Lens”之美國專利申請案及 題為 ’’LED With Compound Encapsulant Lens”之美國專利申 請案第11/322,801號中所描述的彼等益處，除此之外，本揭 示内容中亦利用積體光學元件之額外益處。 在圖1所示之一實施例中，該積體光學元件具有一球形空 腔，該空腔提供允許用於導線接合或LED之表面上之其他 突起特徵的空間之益處，且亦有效地自一具有與一空氣界 面最佳地起作用之提取特徵的LED收集光。通常可較佳隨 一球形表面而非一平面前進（follow)此氣隙，以便最小化費 涅損耗，尤其對於以極大角度射出LED之光線。在此種情 123351.doc 200815709 況下，以法線角度入射之光線出現最小費涅損耗。假定該 LED係一朗伯（Lambertian)發射器，射出晶粒進入空氣之多 數光線將由一球形表面俘獲，因為其多數將以接近法線之 角度射入（strike)。 現參看本揭示内容之圖式，其中相同參考數字表示相同 元件，圖1示意性地展示本揭示内容之照明系統的例示性實 施例，其可用於投影應用。圖示之光源模組1〇包括一具 有一發射表面17之發射器15。發射表面17可為或可包括一 LED之一或多個發射表面、一磷光體層或任意其他放射性 材料。發射器15係定位於一安裝表面或基板乃上，並可視 需要具有一定位於發射器15與表面25之間或別處的散熱片 20。儘管展示散熱片20定位於發射器15與表面乃之間，但 是散熱片20並非所有實施例中所需，其定位於此特定位置 也並非必須。 光源模組10亦包括一安裝於發射器15之發射表面17上方 之至少部分中空之積體光學元件30。在此特定實施例中， 積體光學元件係-錐形桿式積光器。本文中所述之大部分 實例係參考錐形桿式積光器3〇及130(最初參看圖7而描 述）。然而，此等僅係至少部分中空之積體光學元件之實 例’且此等光學元件之其他實例亦被揭示。舉例而言，圖 12中所引入之隨道式積光器（tunnel integrat〇r)23〇係另一此 種積體光學元件。雖然參考—種類型或另—類型之積體光 學7L件而描述各種特徵，但應瞭解任何所揭示類型之至少 部分中空的積體光學元件可呈現此等特徵。 123351.doc 200815709 返回參看圖1，可經由任意所要技術或組態而將積光器3〇 安裝於發射表面17上方，包括藉由將積光器3〇安裝至其他 表面（例如，表面25或散熱片20之一表面）。錐形桿式積光器 30具有一近端35及一遠端45。近端35面向發射表面17，而 遠端45背離該發射表面。積光器3〇之近端％提供一表面 3 1 ’其在發射器15上方形成一球形空腔4〇。積光器3 〇之遠 端45提供一表面46,光學組件及/或薄膜可定位於該表面 上。在頂面46與底面31之間，積光器30具有楔形侧壁32及 33 〇 在例示性實施例中，由錐形桿式積光器提供之空腔4〇由 一材料填充，該材料具有一小於該錐形桿式積光器之折射 率n2之折射率“。在各種實施例中，空腔4〇内之材料可為 空氣（包括多種氣體或氣體混合物中之任一種）或一液體。該 液體可為一密封凝膠。在一些實施例中，該折射率Μ將接 近於1.〇,但在其他例示性實施例中可高達15。η1之其他值 亦係可能的。在不考慮nl之值的情況下，通常nl將小於以。 在例示性實施例中，該錐形桿式積光器之折射率以將至少 為2·0，且通常將為大約2·4或更高。 現參看圖2Α，展示根據一實例實施例的發射器15之發射 表面17的示意性俯視圖。在此實例實施例中，發射表面η 具有發射器18(例如，色彩不同之發射器）之陣列。舉例而 言，在圖2Α中，發射器18之陣列包含三種不同色彩(例如， 紅色、綠色及藍色），每-者藉由—不同的交又影線表示。 此等類型之多色發射器陣列可利用由錐形桿式積光器％提 123351.doc -10- 200815709 供之色彩混合。然而，錐形桿式積光器3〇之使用並不限於 發射器陣列，積光器3〇亦可與單一發射器一起使用。 發射器15具有一縱橫比，該縱橫比為發射器之寬度|£除 以發射器之高度HE。錐形桿式積光器30之提供球形空腔4〇 之末端35亦具有一縱橫比。圖2B展示積光器30之仰視圖， 以致空腔40得以展示。積光器30於底端35處的縱橫比係積 光器之彼端之寬度wvB除以積光器之彼端之高度Ήιβ。在一 些例示性實施例中，積光器30於底端3S處之縱橫比緊密匹 配發射器之尺寸縱橫比。在例示性實施例中，藉由緊密匹 配，此等縱橫比可為大體上相等的。 圖2C說明積光器30之俯視圖，以致空腔頂端45得以展 示。積光器3 0於頂端4 5處之縱橫比係積光器之彼端之寬度 Wm除以積光器之彼端之高度Ηι-τ。在一些例示性實施例 中，積光器30於頂端45處之縱橫比係一矩形縱橫比（即使積 光器30之底端並非矩形）。積光器3〇之頂端45之矩形縱橫比 無需緊密匹配發射器及積光器之底端的縱橫比。此允許至 一所要縱橫比之轉換將得以達成。 現參看圖3，展示光源模組1〇之另一實施例，其中一呈集 光透鏡形式之光學元件50附著至錐形桿式積光器。光學元 件50可為經選擇以達成一特定結果的任意類型之光學透鏡 組件。舉例而言，光學元件5〇可包括—幫助自光源ι〇產生 準直光的準直透鏡。又，替代—光學透鏡，—或若干單層 或多層光學薄膜55可定位於錐形桿式積光器3〇之表面46上 以達成所要之光學結果。此係說明於（例如）圖4中。可置放 123351.doc 200815709 於表面46上之光學薄膜之一實例包括一反射式偏光膜 (RPF)，其可用於產生均勻偏振之光且促進光之再循環。一 反射式偏光膜之一實例為由3M Company(St Paul，MN)製造 的品牌為Vikuiti之多層光學薄膜（M0F)DBEF。可置放於表 面46上之光學薄膜之另一實例係四分之一波片（QWp)，其 可用於轉換光之偏振（例如，自圓形偏振至線性偏振，或反 之亦然）。在一實施例中，尺奸與Qwp包括於光學薄膜元件 55中，其中QWP鄰近表面46以便產生一較大程度之偏光再 循環。在光源模組10之諸如圖5中所說明的其他實施例中， 該光源模組包括集光透鏡或其他光學元件5〇，經由將其定 位於光學薄膜55上而經附著至錐形桿式積光器3〇。在圖6 中所說明之另一實施例中，鏡化侧面6〇由積光器3〇之側壁 上之反射材料形成，以增強由積光器3〇及光源模組1〇提供 之全内反射（TIR)。 現參看圖7-11，展示另一光源模組1〇〇，除錐形桿式積光 器之某些態樣外，其大體上與光源模組1〇相同。如圖7中所 展示，光源模組100包括與上文所描述的錐形桿式積光器3〇 共用許多特徵之錐形桿式積光器13〇。因而，錐形桿式積光 器130具有一近端135及一遠端145。近端135面向發射表面 17,而遠端145背離該發射表面。積光器13〇之遠端145提供 一表面146,光學元件及/或光學薄膜可定位於其上。在積 光器130之頂面146與底面之間，積光器13〇具有楔形側壁 132及！33。積光器30與積光器13〇之間的主要不同係在於2 積光器130提供且定位於發射表面上方的空腔14〇係一截錐 123351.doc -12- 200815709 形空腔，而非一球形空腔。用於填充截錐形空腔140之材料 可與上文所論述的相同。類似地，如圖8_丨丨中所說明，諸 如集光透鏡50之光學元件、光學薄膜55、鏡化侧面6〇或此 等類型之特徵的各種組合皆可與積光器130—起使用。 可/、此4各種特徵一起使用之另一實施例於圖12中說 明。在圖12中，展示具有呈隧道式積光器230形式之積體光 學元件的光源模組200。在隧道式積光器23〇中，空腔24〇 係向上延伸以开》成一穿過楔形或非楔形側壁232及2)3之隧 道。儘管未說明於圖12中，但是上文參考錐形桿式積光器 30及130所描述的各種特徵皆可以同一方式與隧道式積光 器230起使用。因此，隧道式積光器230之側壁可為（例如） 鏡化的。作為另一實例，伴隨隧道式積光器230，一或多個 光學薄膜可包括在該隧道式積光器與集光透鏡5〇之間。該 空腔（例如，隧道240)之内含物及約定最接近發射器之折射 率低於後續光學元件之折射率的折射率關係亦可應用於隧 道式積光器230實施例。另外，儘管展示一特定集光透鏡之 尺寸匹配隧道式積光器230之寬度，但是亦可使用集光透鏡 之其他尺寸。參見（例如）圖13中所展示之與光源模組3〇〇中 之隧道式積光器230—起使用之較寬集光透鏡35〇。圖13亦 說明鏡化側壁3 6〇 ’其在各種實施例中可為内部侧壁或外部 侧壁中之任一者，如上文關於錐形桿式積光器所描述的。 總體而言，在例示性實施例中，光源模組包括一具有至 少一發光表面之發射器，及一安裝於該發射表面上方之至 少部分中空之積體光學元件。在各種實施例中，該中空區 123351.doc -13- 200815709 域内之折射率係小於沿光徑之後續介質的折射率。 / 夕邻刀中空之積體光學元件具有一面向發射表面之 近端，及一背離發射表面之遠端。在一些實施例中，該積 - 一予元件之近、具有一緊密匹配該發射器之尺寸縱橫比 的尺寸縱稂比，而該積體光學元件之遠端係平坦的，進而 具有一矩形縱橫比。該積體光學元件之遠端的矩形縱橫比 可不同於積體光學元件之近端的尺寸縱橫比。 在各種實施例中，該至少部分中空之積體光學元件包括 一在發射表面上方形成一空腔之錐形桿式積光器，其中該 二腔/、有小於該錐形桿式積光器之折射率η2的折射率 η 1該工腔可為（例如）一球形或一截錐形空腔。該空腔可由 空氣、諸如一密封凝膠之流體等填充，因此提供浙射率nl。 集光透鏡可附著至該錐形桿式積光器，且該集光透鏡將 具有同於錐形桿式積光器之折射率n2的折射率。一或多 個光學薄膜亦可定位於集光透鏡與錐形桿式積光器的遠端 之間。 在其他實施例中，該至少部分中空之積體光學元件包括 一安裝於發射表面上方的隧道式積光器。在此等實施例 中，該等光源模組將通常包括一附著至隧道式積光器之集 光透鏡，該隧道式積光器具有一大於隧道内之折射率“的 折射率n2。在所說明之例示性實施例中，該隧道式積光器 具有一面向發射表面之近端及一背離發射表面之遠端，該 隧道式積光器之近端在發射表面上方形成一外殼，而該隧 道式積光器之遠端為平坦的，進而具有一矩形縱橫比。集 123351.doc -14- 200815709 光透鏡通常附著至隧道式積光器的遠端。
所揭不之光源模組可用於多種裝置中。在例示性實施例 中’利用此等光源模組之色序迷你投影儀可包括光源模 組、-偏振光束分光！i(PBS)、—單^上液晶（Lc〇SM 板’及-投影透鏡。由於色彩將在該換形隨道式積光器中 經組合並均勻化，因此將不需要一色彩組合合光鏡。另外， 若LEm車列及楔形隧道的縱橫比匹配所要成像/面板之縱 橫比，則將不需要一用以調整縱橫比之變形透鏡。一使用 所揭示之光源模組的濾色器迷你投影儀可包括一 p b s、一遽 色器LCOS面板’及一投影透鏡。或者，一使用此等光源模 組的色序迷你投影儀系統可包括光源模組、準直光學元 件、一數位光處理（DLP)面板，及一投影透鏡。 除非另外指示，否則說明書及申請專利範圍中所使用之 表示特徵尺寸、量及實體性質之所有數字將被瞭解為由術 語”大約’’修正。因此，除非相反地指出，否則前述說明書 及所附申請專利範圍中所陳述之數值參數係可視由熟習此 項技術者利用本文中所揭示之教示設法獲取之所要特性而 改變的近似值。 本發明之各種修改及替代在不脫離本發明之範轉及精神 的情況下對於熟習此項技術者將為顯而易見的，且應瞭解 本發明並不限於本文中所陳述之說明性實施例。 【圖式簡單說明】 圖1係根據一些所揭示實施例之一包括一至少部分中空 之積體光學元件之錐形桿式積光器的光源模組之示意性側 123351.doc -15- 200815709 視圖說明。 圖2 A係如圖1所示之發射器的說明一縱横比之示意性俯 視圖說明。 圖2B及圖2C分別係錐形桿式積光器之說明縱橫比的仰 視圖及俯視圖。 圖3-6係圖1所示之光源模組之示意性側視圖說明，且其 說明額外特徵及/或組件。
圖7係根據另一所揭示實施例之包括一錐形桿式積光器 之光源核組的不意性側視圖說明。 圖8-11係圖7所示之光源模組之示意性侧視圖說明，且其 說明額外特徵及/或組件。 圖12係根據又一所揭示實施例 < 包括積體光學元件之中 空隧道式積光器的光源模組之示意性側視圖說明。 圖13係包括-體隧道式光學元件的另—光源模組實施例 之示意性侧視圖說明。 【主要元件符號說明】 10 15 17 18 20 25 30 31 光源模組 發射器 發射表面 發射器 散熱片 安裝表面/基板 積體光學元件/錐形桿式積光器 表面/底面 123351.doc -16- 200815709
32 楔形側壁 33 楔形側壁 35 近端/底端 40 球形空腔 45 遠端/頂端 46 表面/頂面 50 集光透鏡/光學元件 55 光學薄膜 60 鏡化側面 100 光源模組 130 錐形桿式積光器 132 楔形侧壁 133 楔形側壁 135 近端 140 截錐形空腔 145 遠端 146 頂面 200 光源模組 230 隧道式積光器 232 楔形或非楔形側壁 233 楔形或非楔形側壁 240 隧道/空腔 300 光源模組 350 集光透鏡 123351.doc -17- 200815709 360
He H!.b
Hi.t
WE
Wj.b - Wi.t _ 鏡化側壁 發射器之高度 積光器之底端的高度 積光器之頂端的高度 發射器之寬度 積光器之底端的寬度 積光器之頂端的寬度 123351.doc -18 -

Claims (1)

  1. 200815709 十、申請專利範圍： 1 · 一種光源模組，其包含： 一發射器，其具有至少一發光表面；及 一至少部分中空之積體光學元件，其安裝於該發射表 面上方； 其中該中空區域内之折射率小於沿光徑之後續介質之 折射率。 2·如請求項1之光源模組，其中該至少部分中空之積體光學 元件具有一面向該發射表面之近端及一背離該發射表面 之遠端，該至少部分中空之積體光學元件之該近端具有 一緊密匹配該發射器之一尺寸縱橫比的尺寸縱橫比，該 至少部分中空之積體光學元件之該遠端為平坦的，進而 具有一矩形縱橫比。 3·如請求項2之光源模組，其中該至少部分中空之積體光學 元件之該遠端的該矩形縱橫比不同於該至少部分中空之 積體光學元件之該近端的該尺寸縱橫比。 4·如請求項1之光源模組，其中該至少部分中空之積體光學 兀件包含一在該發射表面上方形成一空腔之錐形桿式積 光器，其中該空腔具有一小於該錐形桿式積光器之一折 射率n2的折射率nl。 5.如請求項4之光源模組，其中該錐形桿式積光器之該空腔 係一球形空腔。 6·如請求項4之光源模組，豆中辞1 ，、甲該錐形桿式積光器之該空腔 係一截錐形空腔。 123351.doc 200815709 7. 如請求項4之光源模組’其中該錐形桿式積光器之 係由具有該折射率η 1之空氣填充。 8. 如請求項4之光源模組，其中該錐形桿式積光器之該空腔 係由一具有該折射率η1之液體填充。 9.如請求項8之光源模組，其中該液體為一密封凝膠 1〇.如請求項4之光源模組，且其進—步包含—附著至該㈣ 桿式積光器之集光透鏡，該集光透鏡具有—高於該錐形
    桿式積光器之該折射率n2的折射率。 11·如請求項10之光源模組，且其進一步包含定位於該集光 透鏡與該錐形桿式積光器之一遠端之間的至少一光學薄 膜。 / 12·如請求項4之光源模組，其中該錐形桿式積光器具有一面 向該發射表面之近端及一背離該發射表面之遠端，該光 源模組進一步包含附著至該錐形桿式積光器之一遠端之 至少一光學薄膜。 13·如請求項1之光源模組，其中該至少部分中空之積體光學 元件包含一安裝於該發射表面上方之隧道式積光器，該 光源模組進一步包含： 一附著至該隧道式積光器之集光透鏡，該隧道式積光 器具有一大於隧道内之折射率“的折射率心； 其中該隧道式積光器具有一面向該發射表面之近端及 一背離該發射表面之遠端，該隧道式積光器之該近端在 該發射表面上方形成一外殻，該隧道式積光器之該遠端 為平坦的，進而具有一矩形縱橫比，該集光透鏡係附著 123351.doc 200815709 至該隧道式積光器之該遠端。 14·如請求項13之光源模組，其中該隧道式積光器具有楔形 侧壁。 15·如請求項13之光源模組，其中該隧道式積光器之該近端 具有一緊密匹配該發射表面之一尺寸縱橫比的尺寸縱橫 比0 16·如請求項15之光源模組，其中該隧道式積光器之該遠端
    的該矩形縱橫比不同於該隧道式積光器之該近端的該尺 寸縱橫比。 17.如請求項13之光源模組，其中該隧道式積光器係由具有 該折射率nl之空氣填充。 18·如請求項13之光源模組，其中該隧 Y $隊道式積光器係由一具 有該折射率nl之液體填充。 19.如請求項18之光源模組’其中該液體係一密封凝膠。 20·如請求項13之光源模組，且意淮 、泰拉& 、、、 、 ^進一步包含定位於該集光 透鏡與該隧道式積光器之該遠 膜。 化之間的至少一光學薄 部分中空之積體光學 —背離該發射表面之 21 ·如請求項1之光源模組，其中該至 元件在一面向該發射表面之近端 遠端之間具有鏡化侧壁。 123351.doc
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