TW201326674A - 發光二極體陣列光源以及光學引擎 - Google Patents

Abstract

一種發光二極體陣列光源，包括基板、網狀遮光層、多個發光二極體晶片及微透鏡陣列層。網狀遮光層包括多個彼此交錯之條狀遮光圖案以定義出多個開口。各條狀遮光圖案具有與基板連接之底表面、頂表面及二側表面，而頂表面的寬度小於底表面的寬度，且網狀遮光層的厚度為T1。各發光二極體晶片分別位於其中一個開口內。微透鏡陣列層覆蓋基板、遮光層及發光二極體晶片，微透鏡陣列層包括多個陣列排列之微透鏡，各微透鏡分別包括與網狀遮光層接觸之底部及與底部連接之透鏡部，且各微透鏡分別對應其中一個開口配置。各個微透鏡之頂部至底表面之垂直距離為T2，且0.278≦T1/T2≦0.833。

Description

發光二極體陣列光源以及光學引擎

本申請案是有關於一種光學引擎(optical engine)，且特別是有關於一種光學引擎內之發光二極體陣列光源。

近年來，發光二極體(light-emitting diode，LED)的發光效率已逐漸提升，且在某些領域中，發光二極體已取代螢光燈與白熾燈。這些領域包括用以掃描之高反應速率燈、液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)的背光源或前光源、用於汽車儀表板的光源、交通號誌燈、投影裝置的光源、傳統照明裝置等。發光二極體具有較長的使用壽命(高達100,000小時)，且毋需暖燈時間。此外，發光二極體亦具有下列優點：快速反應時間(約10^-9秒)、尺寸小、低功率消耗、低污染、高可靠度及能夠大量生產。因此，發光二極體被廣泛地在許多領域中使用。

發光二極體屬於一種近似朗伯(Lambertian-like)光源，其半高全寬(Full Width at Half Maximum，FWHM)通常為55°至60°之間。在現有技術中，對於收光半角為15°的投影裝置而言，發光二極體之有效利用率僅有6%至10%。很明顯地，現有技術之發光二極體的準直性與發光效率仍略顯不足。因此，如何在不大幅增加光源體積與重量之前提下，進一步提升發光二極體的準直性與發光效率實為目前研發人員關注的議題之一。

本申請案提供一種發光二極體陣列光源，其具有良好的發光效率。

本申請案另提供一種光學引擎，其具有良好的顯示品質。

本申請案提供一種發光二極體陣列光源，其包括一基板、一網狀遮光層、多個發光二極體晶片以及一微透鏡陣列層。網狀遮光層配置於基板上，並且包括多個彼此交錯之條狀遮光圖案以定義出多個陣列排列之開口，其中各個條狀遮光圖案具有與基板連接之一底表面、一頂表面以及二側表面，而頂表面的寬度小於底表面的寬度，且網狀遮光層的厚度為T1。各個發光二極體晶片分別位於其中一個開口內且設置於基板上。微透鏡陣列層覆蓋基板、網狀遮光層以及發光二極體晶片，微透鏡陣列層包括多個陣列排列之微透鏡，而各個微透鏡分別包括一與網狀遮光層接觸之底部以及與底部連接之一透鏡部，且各個微透鏡分別對應其中一個開口配置，其中各個微透鏡頂部至底表面之垂直距離為T2，且0.278T1/T20.833。

本申請案另提供一種光學引擎，其包括前述之發光二極體陣列光源以及一投影裝置，其中發光二極體陣列光源用以提供一光束，而投影裝置則設置於光束之傳遞路徑上，且投影裝置之收光半角約為15°。

為讓本申請案之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本申請案一實施例之光學引擎的示意圖。請參照圖1，本實施例之光學引擎100包括前述之發光二極體陣列光源110以及一投影裝置120，其中發光二極體陣列光源110用以提供一光束L，而投影裝置120則設置於光束L之傳遞路徑上，且投影裝置120之收光半角約為15°。在本實施例中，投影裝置120可採用任意之光學設計，本申請案對此不進一步限定。值得注意的是，本實施例之光學引擎100可應用於可攜式電子元件之微投影。

圖2為本申請案一實施例之發光二極體陣列光源的剖面示意圖。請參照圖1與圖2，本實施例之發光二極體陣列光源110包括一基板112、一網狀遮光層114、多個發光二極體晶片116以及一微透鏡陣列層118。網狀遮光層114配置於基板112上，並且包括多個彼此交錯之條狀遮光圖案114a以定義出多個陣列排列之開口114b，其中各個條狀遮光圖案114a具有與基板112連接之一底表面114a2、一頂表面114a1以及二側表面114a3，而頂表面114a1的寬度W1小於底表面114a2的寬度W2，且網狀遮光層114的厚度為T1。各個發光二極體晶片116分別位於其中一個開口114b內且設置於基板112上。微透鏡陣列層118覆蓋基板112、網狀遮光層114以及發光二極體晶片116，微透鏡陣列層118包括多個陣列排列之微透鏡118a，而各個微透鏡118a分別包括與網狀遮光層114接觸之一底部118a1以及與底部118a1連接之一透鏡部118a2，且各個微透鏡118a分別對應其中一個開口114b配置，其中各個微透鏡118a的頂部(即最高點)至條狀遮光圖案114a之底表面114a2的垂直距離為T2，且T1T2。

舉例而言，厚度T1與距離T2係滿足下列關係式：

0.278T1/T20.833。

當厚度T1與距離T2係滿足0.278T1/T20.833之關係式時，發光二極體陣列光源110的準直性與發光效率可以獲得提升。

在本實施例中，底表面114a2實質上平行於頂表面114a1，且各個側表面114a3與底表面114a2之夾角α實質上相同。換言之，以底表面114a2為基準，兩側表面114a3具有實質上相同的傾斜程度。此外，底表面114a2的寬度W2例如介於20微米至35微米之間，而頂表面114a1的寬度W1例如介於1微米至5微米之間。值得注意的是，前述之夾角α與寬度W1、W2相關，本申請案可根據實際設計需求計算出適當的夾角α。

在本實施例中，網狀遮光層114可透過多種方式製作。舉例而言，網狀遮光層114可透過電鑄、金屬薄片堆疊接合、印刷轉印等技術進行製作，以期獲得所需厚度之網狀遮光層114。

在本實施例中，透鏡部118a2的排列間距P例如介於10微米至60微米之間，且各個透鏡部118a2的曲率半徑例如係介於5微米至60微米之間。此外，微透鏡118a之底部118a1與透鏡部118a2例如係係一體成型。換言之，底部118a1與透鏡部118a2係採用相同材質製作。舉例而言，微透鏡陣列層118可透過高精度模具以射出成型的方式製作。

圖3A為至圖3C為三種不同發光二極體陣列光源的剖面示意圖。請參照圖3A，當網狀遮光層114的厚度T1遠小於微透鏡118a的頂部至條狀遮光圖案114a之底表面114a2的垂直距離T2(T1/T2=0.028)時，發光二極體陣列光源110’的發光效率良好(約18.7%)，但光線之間的交互干擾(crosstalk)十分嚴重，故準直性不佳(如圖3A之右側所示)。請參照圖3B，當網狀遮光層114的厚度T1大於微透鏡118a的頂部至條狀遮光圖案114a之底表面114a2的垂直距離T2(T1/T2=1.33)時，發光二極體陣列光源110”的發光效率下降(約14.0%)，但光線之間的交互干擾(crosstalk)獲得抑制，故準直性獲得改善(如圖3B之右側所示)。請參照圖3C，當網狀遮光層114的厚度T1與底部118a1的距離T2滿足0.278T1/T20.833之關係式時，發光二極體陣列光源110的發光效率良好(約18.5%)，且光線之間的交互干擾亦獲得抑制，故準直性亦十分良好(如圖3C之右側所示)。

圖4A與圖4B為本申請案一實施例之發光二極體晶片之光強度分佈圖。請參照圖4A與圖4B，本實施例之發光二極體晶片116(LED1、LED2)之光強度分佈為近似朗伯(Lambertian-like)，且發光二極體晶片116之光強度的半高全寬(FWHM)例如係介於55°至60°之間(如圖4B所示)。此外，本實施例之發光二極體晶片116(LED1、LED2)具有一光子晶體結構(未繪示)，以進一步增進發光二極體陣列光源110之發光效率。

從表1可知，本申請案之設計概念有助於大幅度地改善發光二極體陣列光源的發光效率，因此十分適於應用在微投影領域中。

雖然本申請案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本申請案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本申請案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本申請案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．光學引擎

110、110’、110”．．．發光二極體陣列光源

120．．．投影裝置

112．．．基板

114．．．網狀遮光層

114a．．．條狀遮光圖案

114a1．．．頂表面

114a2．．．底表面

114a3．．．側表面

114b．．．開口

116．．．發光二極體晶片

118．．．微透鏡陣列層

118a．．．微透鏡

118a1．．．底部

118a2．．．透鏡部

L．．．光束

W1、W2．．．寬度

T1．．．厚度

T2．．．距離

α．．．夾角

P．．．排列間距

圖1為本申請案一實施例之光學引擎的示意圖。

圖2為本申請案一實施例之發光二極體陣列光源的剖面示意圖。

圖3A為至圖3C為三種不同發光二極體陣列光源的剖面示意圖。

圖4A與圖4B為本申請案一實施例之發光二極體晶片之光強度分佈圖。

110．．．發光二極體陣列光源

112．．．基板

114．．．網狀遮光層

114a．．．條狀遮光圖案

114a1．．．頂表面

114a2．．．底表面

114a3．．．側表面

114b．．．開口

116．．．發光二極體晶片

118．．．微透鏡陣列層

118a．．．微透鏡

118a1．．．底部

118a2．．．透鏡部

L．．．光束

W1、W2．．．寬度

T1．．．厚度

T2．．．距離

α．．．夾角

P．．．排列間距

Claims (16)

1. 一種發光二極體陣列光源，包括：一基板；一網狀遮光層，配置於該基板上，該網狀遮光層包括多個彼此交錯之條狀遮光圖案以定義出多個陣列排列之開口，其中各該條狀遮光圖案具有與該基板連接之一底表面、一頂表面以及二側表面，而該頂表面的寬度小於該底表面的寬度，且該網狀遮光層的厚度為T1；多個發光二極體晶片，各該發光二極體晶片分別位於其中一該開口內且設置於該基板上；以及一微透鏡陣列層，覆蓋該基板、該網狀遮光層以及該些發光二極體晶片，該微透鏡陣列層包括多個陣列排列之微透鏡，而各該微透鏡分別包括與該網狀遮光層接觸之一底部以及與該底部連接之一透鏡部，且各該微透鏡分別對應其中一該開口配置，其中各該微透鏡之頂部至該底表面之垂直距離為T2，且0.278T1/T20.833。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列光源，其中該底表面實質上平行於該頂表面，且各該側表面與該底表面之夾角實質上相同。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列光源，其中該底表面的寬度介於20微米至35微米之間，而該頂表面的寬度介於1微米至5微米之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列光源，其中該些透鏡部的排列間距介於10微米至60微米之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列光源，其中各該透鏡部的曲率半徑介於5微米至60微米之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列光源，其中該些底部與該些透鏡部係一體成型。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列光源，其中各該發光二極體晶片具有一光子晶體結構。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列光源，其中各該發光二極體晶片之光強度的半高全寬介於55°至60°之間。
9. 一種光學引擎，包括：一如申請專利範圍第1項所述之發光二極體陣列光源，適於提供一光束；以及一投影裝置，設置於該光束之傳遞路徑上，其中該投影裝置之收光半角約為15°。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學引擎，其中該底表面實質上平行於該頂表面，且各該側表面與該底表面之夾角實質上相同。
11. 如申請專利範圍第9項所述之光學引擎，其中該底表面的寬度介於20微米至35微米之間，而該頂表面的寬度介於1微米至5微米之間。
12. 如申請專利範圍第9項所述之光學引擎，其中該些透鏡部的排列間距介於10微米至60微米之間。
13. 如申請專利範圍第9項所述之光學引擎，其中各該透鏡部的曲率半徑介於5微米至60微米之間。
14. 如申請專利範圍第9項所述之光學引擎，其中該些底部與該些透鏡部係一體成型。
15. 如申請專利範圍第9項所述之光學引擎，其中各該發光二極體晶片具有一光子晶體結構。
16. 如申請專利範圍第9項所述之光學引擎，其中各該發光二極體晶片之光強度的半高全寬介於55°至60°之間。