TWI465147B - 具有中空集光透鏡之ｌｅｄ源 - Google Patents

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TWI465147B TW096128133A TW96128133A TWI465147B TW I465147 B TWI465147 B TW I465147B TW 096128133 A TW096128133 A TW 096128133A TW 96128133 A TW96128133 A TW 96128133A TW I465147 B TWI465147 B TW I465147B
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Description

具有中空集光透鏡之LED源
由於發光二極體(LED)之相對較小的尺寸、低功率/電流要求、快速回應時間、長使用壽命、穩固封裝、可用輸出波長之多樣性及與現代電路構造之相容性，LED為部分光源的理想選擇。此等特徵可有助於解釋LED在過去數十年中在眾多不同最終用途應用中之廣泛使用。LED在效率、亮度及輸出波長之方面持續改良，進而進一步擴大潛在的最終用途應用之範疇。
LED通常以包括黏著於一金屬標頭上之LED晶粒或晶片之封裝形式來售賣。該標頭可具有其中黏著有LED晶粒之反射杯(reflective cup)，及連接至LED晶粒之電導線。一些封裝亦包括囊封LED晶粒之模製透明樹脂。該囊封樹脂可具有用以部分地準直自晶粒發射之光之標稱半球形前表面，或一標稱平坦表面。
以上提到的發明名稱為"LED With Compound Encapsulant Lens"之美國申請案第11/322,801號揭示一種LED源，其包括一LED發射器及一至少部分地包圍該發射器之囊封件。該囊封件包括一內透鏡及一外透鏡，該內透鏡具有小、於該外透鏡之折射率且在一些情況下為該外透鏡之折射率之約70%至80%的折射率。內透鏡與外透鏡可沿著一彎曲表面相互接觸，且在一些情況下，內透鏡實質上為平凸的及外透鏡為凹凸透鏡。內透鏡產生發射器之第一虛像且外透鏡產生一第二虛像，且該第一虛像安置於發射器與第二虛像之間。LED光源能夠在一緊密空間中提供均勻照明。相對高折射率內透鏡之使用遵循當代教示：藉由將高折射率LED晶粒或晶片囊封於一具有盡可能接近LED晶粒之折射率的折射率之介質中來增加高折射率LED晶粒或晶片之提取效率。
以上討論僅經提供以用於一般背景資訊且並不意欲用於輔助判定所主張之標的之範疇。
一種光源包括一LED發射器及一具有一其中安置有該LED發射器之中空空腔的凹凸透鏡。該凹凸透鏡在例示性實施例中為超半球形，且該凹凸透鏡產生該LED發射器之一高品質光學影像。該透鏡之該空腔填充有空氣，諸如，地球大氣、惰性氣體或真空。
提供此發明內容以用簡化形式介紹概念之選擇，該等概念將在下文之實施方式中作進一步描述。此發明內容並不意欲識別所主張之標的之關鍵特徵或本質特徵，且其並不意欲用於輔助判定所主張之標的之範疇。
本發明尤其揭示一種基於LED之源，其類似於以上引用的'801申請案之LED源，但在本發明中內透鏡由空氣取代，空氣具有約1之折射率。在此方面，"空氣"可指地球大氣、或任一惰性氣體或者甚至真空。藉由移除內透鏡，將LED發射器安置於較佳為超半球形且正彎月形的透鏡(在'801申請案中被稱為外透鏡)之中空空腔中。本文中稱為凹凸透鏡之透鏡捕獲由LED發射器發射的實質上全半球(2π球面度)之光，且使用實質上球形的折射表面產生發射器之一具有極小失真的相對高品質(虛擬)影像。
所揭示之設計在某些方面與當代教示相反：增加高折射率LED晶粒或晶片之提取效率之唯一方式為將其囊封於具有最高可利用折射率(亦即，盡可能接近LED晶粒之折射率的折射率)之介質中。採用此當代教示之LED光源10之一基本實例展示於圖1A之先前技術中。LED光源10包括一定位於金屬標頭14上的以晶粒或晶片形式之LED發射器12。線接合16(為了簡單，僅說明一個線接合)提供至LED發射器12之電連接。一囊封材料18(通常為含聚矽氧之凝膠)囊封該LED發射器。可利用的含聚矽氧之凝膠具有約1.5之折射率，此將提取效率限制為小百分比。
如所討論，所揭示之實施例脫離了習知囊封技術，且實情為在LED發射器與凹凸透鏡之間利用一空氣界面。圖1B說明一LED光源20之一部分，該LED光源20具有在光源之LED發射器12與凹凸透鏡之間的此種空氣界面22。該凹凸透鏡未展示於圖1B中，使得可更佳地說明其他選用特徵，但其展示於本文所包括的其他圖中。在一些實施例中，一或多個提取結構24與一凹凸透鏡一起形成或定位於LED發射器12上以有助於在LED晶粒外耦合光，藉此防止光被截獲於其中且被浪費。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的小刻面或其他結構(諸如，副波長結構)，可用以增強自LED晶粒之光提取，即使在將其暴露於空氣而無囊封件之情況下。若囊封件之折射率小於具有微結構之LED晶粒之折射率，則使用具有光提取微結構之囊封件可能會有損效能。其他合適的提取結構24包括高提取式光子晶體結構及線柵格提取組件。合適的進一步其他提取結構包括如在下列各者中所揭示之玻璃或陶瓷提取器或提取器陣列：美國專利申請公開案US2006/0091411(Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package"、US2006/0091798(Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package With Compound Optical Element(s)"及US2006/0092532(Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package With Multiple Optical Elements"。藉由使用本文中所揭示之中空集光(凹凸)透鏡技術，有可能使用提取結構24而不干擾彼等結構之所欲之光提取功能。雖然提取特徵並未展示於本揭示案之其他圖中，但應將本文中所揭示之每一實施例解釋為視需要涵蓋此等特徵，儘管並不需要此等特徵。
如本文中使用，"發光二極體"或"LED"指發射光(不管是可見光、紫外光或紅外光)之二極體。其包括在市場上作為"LED"銷售之不相干包裝或囊封的半導體裝置(無論為習知或超輻射種類)。若LED發射諸如紫外光之不可見光，且在其發射可見光之一些狀況下，其可經封裝以包括一磷光體(或其可照明一安置於遠端的磷光體)以將短波長光轉換為較長波長可見光，在某些狀況下產生發射白光之裝置。"LED晶粒"是以最基本形式之LED，亦即，以藉由半導體處理程序製造之個別組件或晶片的形式。舉例而言，該LED晶粒一般由一或多個III族元素之組合與一或多個V族元素之組合(III－V族半導體)來形成。合適之III－V族半導體材料之實例包括諸如氮化鎵之氮化物及諸如磷化銦鎵之磷化物。亦可使用其他類型之III－V族材料，諸如，來自週期表其他族之無機材料。該組件或晶片可包括適合於施加電力以激發該裝置的電接點。實例包括線接合、捲帶式自動接合(TAB)或覆晶接合。組件或晶片之個別層及其他功能元件通常形成於晶圓級上，且成品晶圓可接著被切割為個別零件以產生多個LED晶粒。LED晶粒可經組態用於表面黏著、板上晶片或其他習知黏著組態。藉由在LED晶粒及相關聯之反射杯上形成聚合物囊封件來製造一些封裝LED。LED晶粒具有一準朗伯(Lambertian)發射圖案且LED晶粒內產生之光的大部分歸因於晶粒表面處之全內反射而被截獲或被發射出在LED晶粒正上方的聚合物囊封件。
注意，LED發射器可僅具有一個LED晶粒，或者其可具有複數個晶粒，其可發射相同或不同的色彩。舉例而言，見在此於同一日期提出申請之共同讓渡的發明名稱為"LED Mosaic"之美國專利申請案(代理人案號62370US006)中描述之LED晶粒組態。若使用了多個LED晶粒，則該等晶粒通常以相互靠近之方式黏著於一共同基板上以界定單一(但分段或不連續)發射區域。
現轉至圖2，圖2展示一光源40，其包含一LED發射器42及一至少部分地包圍該發射器之囊封件43。圖3描繪非常相同的光源40，但識別圖2中未圖示之額外參數以易於理解。LED發射器42可為一LED晶粒或晶粒陣列之發射表面，或者(例如)塗佈於此或此等LED晶粒上的或另外由此或此等LED晶粒激發的薄磷光體層。在例示性實施例中，發射器42實質上處於一平面中，在圖2至圖3中，其對應於笛卡爾(Cartesian)xyz座標系統之x－y平面，但其他配置亦係可能的。發射器42為廣角源，且雖然藉由全內反射一些光可被截獲於發射器42中，但出現在氣隙44內之光通常分布於立體角之全半球上，其對應於自0至實質上90度之範圍的光源角θS (相對於發射器之局部表面法線加以量測，對應於圖2至圖3中之z軸)。
如與在'801申請案中之情況相反，在囊封件43由至少兩個不同組件形成之情況下，在所揭示之實施例中，囊封件由形成一包圍發射器42之氣隙44之凹凸透鏡46形成。外透鏡46具有暴露至折射率no 之一介質(通常為空氣但未必為空氣)的彎曲外表面46b。在例示性實施例中，凹凸透鏡46實質上圍繞光源之光軸48旋轉對稱，且亦使發射器42居於光軸48之中心，但不必在所有實施例中皆為該情況。對於光源40而言，光軸48與笛卡爾z軸平行。
氣隙44與凹凸透鏡46之折射率(分別為n1 及n2 )在n1 (具有實質上為1之值)相比LED發射器42之相對高折射率顯著減少之意義上及n2 實質上高於(亦即，至少高出約80%)n1 之意義上為非習知的。因此，在例示性實施例中之比率n1 /n2 小於0.6，且通常小於0.5。
在例示性實施例中，氣隙44包含於或密封於凹凸透鏡46之內表面46a與基板50之間的空間中，在基板50上黏著有LED發射器42且透鏡46亦在其周邊周圍附著至基板50。基板50可為或包含陶瓷、金屬或其他合適材料之實質上平坦的工件，且亦可包含諸如金屬接點、針腳或其他習知結構的其他組件。在一些情況下，光源40可包括將LED發射器連接至一或多個金屬接點或針腳之一或多個線接合52。
在例示性實施例中，凹凸透鏡46由相對較高折射率之玻璃或其他合適之光學材料構成。通常，此透鏡將具有至少1.8之折射率n2 ，且在例示性實施例中，自約1.9至2.1或者約2。例示性材料包括藍寶石(折射率1.77)、LASFN9光學玻璃(折射率1.85)及S－LAH79光學玻璃(折射率2.003)。凹凸透鏡46可以圖2中所展示之形狀來澆鑄或模製，或以球體或球形之形式來製造，且接著經加工以形成內表面46a及較佳接觸基板50的周邊46c。
光學上，由於彎曲表面之折射率差及形狀，內表面46a會聚來自發射器42的光，形成發射器之第一虛像VI1 ，且外表面46b會聚更多的光，形成第二虛像VI2 。第一虛像安置於LED發射器42與第二虛像之間。參看圖3，LED發射器42、第一虛像VI1 、及第二虛像VI2 之最大平面內尺寸(亦即，在平行於x－y平面之平面中量測的最大橫向尺寸)分別為標記尺寸h、h1 及h2 之兩倍。因此，在例示性實施例中，h2 /h處於自3至4之範圍中。此外，在例示性實施例中，最終虛像(VI2 )之最大平面內尺寸(該尺寸為2h2 )大約為外透鏡46之最大平面內尺寸。若外表面46b可完全地由具有中心點C2 之曲率半徑R2 表現特徵，則此意謂2h2 大約為2R2 ，例如，R2 2h2 4R2 。
表面46a及46b可為球形或非球面，但為了經濟，在例示性實施例中其實質上為球形，特徵在於第一曲率半徑R1 及中心點C1 (對於表面46a)及第二曲率半徑R2 及中心點C2 (對於表面46b)。若囊封件為對稱的，則中心點C1 及C2 安置於光軸48上。展示於圖3中的其他相關參數包括：自LED發射器42之頂表面或前表面至表面46a之頂點的軸向距離，標記為Sag1 ；自虛像VI1 之頂部或前部至外表面46b之頂點的軸向距離，標記為Sag2 ；線接合52相對於LED發射器之頂表面或前表面之最大高度，標記為H1 ；在LED發射器之平面中表面46a之最大平面內半寬度或半徑，標記為r1 ；及在LED發射器之平面中凹凸透鏡46之表面46b之最大平面內半寬度或半徑，標記為r2 。為使光源40之總尺寸或體積最小化，r2 可經選擇為約等於或僅稍大於r1 。
在許多情況下，亦需要藉由明智地選擇(例如)R1 及Sag1 而使氣隙44之體積最小化。然而，吾人可替代地選擇R1 及Sag1 以使光源40之光學特徵最佳化，而非使氣隙44之體積最小化。舉例而言，R1 及Sag1 可經選擇以使囊封件43之放大率最大化。
在一些情況下，亦需要使光源之光學系統中的球面像差量及/或彗形像差量最小化或至少對其進行控制。藉由將C1 定位於光軸48與LED發射器42之相交處，因此使Sag1 R1 ，可使表面46a為等光程的(亦即，具有極小球面像差或彗形像差或無球面像差或彗形像差)，但此通常與使氣隙44之體積最小化不相容，且其亦減小或消除了表面46a之會聚光焦度。因此，控制球面像差及彗形像差之較理想之方式可為將外表面46b設計為等光程的。就一軸上點而言，此可藉由將第一虛像VI1 (其充當用於外透鏡之目的之"物件")與外表面46b之頂點之間的距離設定為如下來達成：
在n2 約為2且n0 為1(空氣)之情況下，此簡化為：
注意，前述最小體積及等光程條件可用作起始點，自該起始點，可(諸如)藉由習知光學設計軟體來進行進一步最佳化。舉例而言，可根據上文等式(1)來設計外表面46b，且接著對其進行最佳化以使位於或接近虛像VI1 之邊緣之遠軸外點的球面像差及/或彗形像差最小化。
所揭示之緊密光源可用於各種各樣的光學系統中，其中之一者展示於圖4中。在圖4中，一準直光子系統80包括上述光源40以及一外部準直透鏡82及一選用反射偏光器84。為了緊密性，將透鏡82繪製為一分段的或分區的費涅(Fresnel)透鏡，但若須要，亦可使用任何習知的塊狀光學透鏡或其他已知透鏡。為了準直，透鏡82之焦距及位置經選擇以使得由凹凸透鏡46形成之最終虛像IM2安置於透鏡82之後焦點處。注意，作為LED發射器42之擴展性質之結果，離開透鏡82之"準直"光83將實際上具有非零角分布。
準直光子系統80亦包括一選用反射偏光器84。該偏光器可用以按須要提供線性、圓形或橢圓形偏光。雖然吸收型偏光器亦可用於此用途，但若在光源40中存在一結構或機構以將至少一些阻斷的偏光狀態轉換為正交"穿過"狀態，則反射偏光器(尤其在"阻斷的"偏光狀態被鏡面反射而非被吸收或散射之情況下)可提供增加的效率。此被稱為"光再利用"，且可使用若干不同技術來加以實現。
再利用反射偏光器之一實例為如US 5,882,774(Jonza等人)中所描述之多層光學偏光膜，其中組成該膜之交替層沿著與該膜垂直的方向具有實質上匹配的折射率(亦即，在層之間的△nz 約為零)，使得膜中之任一給定界面對於p偏光之反射率作為入射角之函數而實質上恆定。
使用在圖4之頂半部分中的光線81及83中之方向箭頭來表示，可看出，若入射於反射偏光器84上之準直光線83具有正確的偏光狀態(例如，偏光光線85)，則其被朝向正被照明之任何顯示器或投影系統透射，如由所使用的該類型之反射偏光器所規定；或者若其具有非所要的偏光狀態，則其被朝向準直透鏡82反射回。此對於由LED發射器產生之所有光81均正確，即使圖4中所示之光線中之僅一些由方向箭頭表示。
可使用任一所要技術再利用已被朝向LED發射器42反射回之光。舉例而言，LED發射器42可包括可反射或再發射再利用光的磷光體塗層，再利用光接著可具有正確的偏光狀態以穿過反射偏光器84。
可將本文中描述之光源與準直透鏡及美國專利第5,882,774(Jonza等人)中描述之類型的共擠壓多層反射偏光器組合，其中抗反射塗層塗覆至偏光器之兩側，以將偏光輸出增加超過10%(相對於一利用吸收型偏光器而非反射偏光器之相同系統)。製造共擠壓多層偏光膜之例示性方法揭示於美國專利申請公開案US 2002/0180107 A1(Jackson等人)、US 2002/0190406 A1(Merrill等人)、US 2004/0099992 A1(Merrill等人)及US 2004/0099993 A1(Jackson等人)。其他例示性反射偏光器包括可購自3M Company(St.Paul，Minn.)之VikuitiTM 反射式偏光增亮膜(DBEF)。亦涵蓋膽固醇型偏光器。如上提及，抗反射塗層可用於偏光器之一或兩個表面上以使歸因於費涅表面反射之損耗最小化。或者，偏光器可層壓至諸如透鏡或板之另一光學組件之一平滑、較佳平坦之表面，或其可層壓至兩側上且夾在兩個此等光學組件之間。
圖5說明包括光源40之另一準直光子系統90。準直光子系統90可與圖4中所示之準直光子系統80相同，但準直光子系統90包括四分之一波板(QWP)92。QWP為一光學阻滯膜或組件，其在透射光中引起四分之一波長相移。此可用以將線性偏光改變為圓形偏光及將圓形偏光改變為線性偏光，以輔助光再利用。舉例而言，LED發射器42可包括反射塗層，使得首先由反射偏光器84反射之一些光將被朝向透鏡46及82回向反射。QWP 92可確保此回向反射光將具有正確的偏光狀態以穿過反射偏光器84。
如已揭示，LED光源之例示性實施例將LED發射器黏著於凹凸透鏡之空氣填充式空腔之內部。將LED發射器黏著於凹凸透鏡之中空空腔中之一優勢可包括致能具有微結構提取器表面的LED晶粒之使用。另一優勢可包括以下事實：凹凸透鏡可提供一用於晶粒之優良密封的空腔封裝，例如，當透鏡附著或接合至其上黏著有LED晶粒之基板時。由於提取器可能對諸如使光提取效率降級的大氣中之灰塵、氣溶膠或腐蝕性氣體之受污染環境高度敏感，所以在將微結構提取器或類似物用於LED晶粒之活性區域之頂部上的情況下，此可尤其有益。若將亦對受污染環境敏感之一線柵格偏光器用於LED晶粒上，則可實現一類似益處。
在一例示性實施例中，由如在'801申請案中所揭示之高折射率材料(例如，折射率至少為1.8且通常自約1.9至2..1或者約2之材料)製成的凹凸透鏡仍提供高放大率，以此方式減少了朗伯(Lambertian)光束之發散。相對於'801申請案之複合囊封透鏡，凹凸透鏡單獨可提供關於設計至受照成像器之緊密中繼光學器件之同樣的多功能性。
在'801申請案之複合囊封透鏡與所揭示之中空集光透鏡實施例之間的主要差異在於後者之光功率較低。參看圖4中所示之準直光子系統，與'801申請案之複合囊封透鏡相比，為了維持外部準直透鏡82(在例示性實施例中，其為用於偏光再利用目的之費涅透鏡)後之準直，應相應地增加彼費涅透鏡之光功率。兩個透鏡之總功率1/ftot (fmen 表示凹凸透鏡，及fcol 表示準直透鏡)可近似於如下所示：1/ftot (approx)=(n/fmen )+(1/fcol ) (3)
其中，凝膠囊封件之n為1.5或空氣之n為1.0。注意，作為LED發射器42之擴展性質之結果，自透鏡82離開之"準直"光將實際上具有非零角分布。藉由使用習知光學設計軟體，可對兩個設計(亦即，'801申請案之複合囊封透鏡相對本文中所揭示之中空空腔設計)皆執行ftot 之精確計算以得到在兩個情況下的透鏡之間的功率分布之一較佳理念。參看下面所示之表格，其為比較在分別具有一中空凹凸集光透鏡及一複合囊封透鏡之LED光源之間的焦距之表。對於相同的球半徑(亦即，對於凹凸透鏡之相同外徑)，準直光子系統之焦距ftot 在空氣中(2.92mm)比在囊封中(2.36mm)要長。
圖6A及圖6B中所說明之整個照明系統包含上述準直光子系統以及使光至一成像器之第二組透鏡。該照明系統為遠焦的(以允許偏光再利用及/或變形附著)，第二組透鏡之焦距ffoc 經選擇以使系統之總放大率不變(在空氣中，mag=-4.7)。見圖6A至圖6B，其中圖6A展示'801申請案之複合囊封透鏡之照明系統的光學布局，及圖6B展示使用一中空空腔凹凸透鏡(亦即，其中由空氣替代另一系統之內 透鏡)之一類似照明系統之光學布局。
注意，吾人可稍微減小凹凸透鏡之厚度以保持空氣中之不動條件。亦注意，對於此兩個設計，總長度、體積及耦合效率效能皆類似。
所揭示之緊密光源亦可用於投影系統中，諸如，併入有矽上液晶(LCOS)面板或其他像素化面板之投影系統。例示性投影系統揭示於在此於同一日期提出申請之共同讓渡的發明名稱為"Optical Projection Subsystem"之美國專利申請案(代理人案號63281US002)中。
舉例而言，圖7說明一投影子系統200。該投影子系統200用於自諸如蜂巢式電話、個人數位助理(PDA)、全球定位系統(GPS)接收器之小型電子系統投射靜態或視訊影像。投影子系統200自小型電子系統(圖7中未說明)(該投影子系統200嵌入於該小型電子系統中)接收電功率及影像資料。投影子系統200用作小型投影儀附件之用於顯示電腦視訊的部件。投影子系統200用於足夠小以使得當不使用時可於衣服口袋(諸如，襯衫口袋)中進行攜帶之系統中。由投影子系統200投射之影像可被投射至回向反射投影螢幕、淺色塗有油漆之壁、白板或紙張或者其他已知投影表面上。可將投影子系統200嵌入於一攜帶型電腦或一蜂巢式電話中。
投影子系統200包含一準直光子系統202，其可為所揭示之實施例的準直光子系統80、90等。準直光子系統202提供一光束204。光引擎包括一集光透鏡206(例如，以凹凸透鏡46之形式)、一準直儀208及一固態發光器210。根據 一態樣，集光透鏡206包含一超半球形球形透鏡。
固態發光器210接收具有電功率位準之電功率212。固態發射器210熱耦接至一散熱片214。該固態發光器提供一具有一發射器光通量位準之發射器光束。根據一態樣，光束204包含不相干光。根據另一態樣，光束204包含為固態發光器210之一部分聚焦影像之照明。根據再一態樣，固態發光器210包含一或多個發光二極體(LED)。根據另一態樣，集光透鏡206包含一半球形球形透鏡。根據另一態樣，準直儀208包含一聚焦單元，其包含一具有用於接收一第一非準直光束之一第一非小刻面側及用於發射準直光束之一第一小刻面側的第一費涅透鏡；及一具有用於實質上直接接收準直光束之一第二非小刻面側及用於發射一輸出光束之第二小刻面側的第二費涅透鏡。根據另一態樣，可將固態發光器210配置為如在此於同一日期提出申請之發明名稱為"LED Mosaic"之美國專利申請案(代理人案號62370US006)中所示。根據另一態樣，可將準直光子系統202配置為如在此於同一日期提出申請之發明名稱為"Integrating Light Source Module"之美國專利申請案(代理人案號62382US008)中所示。
投影子系統200包含一折光體220。折光體220接收光束204。折光體220提供一偏光束222。折光體220包括一內部偏光濾光器224。光束204之一偏光分量由內部偏光濾光器224反射以形成偏光束222。根據一態樣，根據美國專利申請案US 2007/0023941 A1(Duncan等人)、美國專利申請案US 2007/0024981 A1(Duncan等人)、美國專利申請案US 2007/0085973 A1(Duncan等人)及美國專利申請案US 2007/0030456(Duncan等人)中之一或多個態樣形成或利用折光體。
折光體220包含一第一外部透鏡表面226及一第二外部透鏡表面228。根據一態樣，外部透鏡表面226、228具有彎曲透鏡表面且具有非零透鏡光焦度。根據另一態樣，外部透鏡表面226、228為平坦的。根據一態樣，折光體220包含在內部偏光濾光器224之相對側上的塑性樹脂材料體230、232。根據另一態樣，內部偏光濾光器224包含一多層光學膜。根據另一態樣，折光體220包含一充當一偏光光束分光器以及一透鏡之多功能光學組件。藉由在一多功能折光體中組合偏光光束分光器與透鏡功能，避免了原本在分離的光束分光器與透鏡之間的空氣界面處發生的損耗。
投影子系統200包含一影像形成裝置236。該影像形成裝置236接收電輸入匯流排238上之影像資料。影像形成裝置236接收偏光束222。影像形成裝置236根據影像資料選擇性地反射偏光束222。影像形成裝置236向影像240提供一經相對於偏光束222之偏光旋轉的偏光。影像形成裝置236將一影像240提供至折光體220。影像240穿過內部偏光濾光器224。根據一態樣，影像形成裝置236包含一矽上液晶(LCOS)裝置。
投影子系統200包含一投影透鏡總成250。投影透鏡總成250包含在252、254、256、258、260處示意性地指示之多個透鏡。投影透鏡總成250自折光體220接收影像240。投 影透鏡總成250提供一具有一適合於檢視之投影光通量位準之影像投影光束262。
除非另有指示，否則本說明書及申請專利範圍中所使用之表達特徵尺寸、數量及物理性質的所有數字均應被理解為由術語"約"修飾。因此，除非相反地指示，否則在前述說明書及隨附申請專利範圍中闡明之數值參數為近似值，該等近似值可視由熟習此項技術者利用本文中所揭示之教示而設法獲得的所要特性而變化。
熟習此項技術者而言將顯而易見本發明之各種修改及變更而不脫離本發明之範疇及精神，且應瞭解本發明不限於本文中所闡明之說明性實施例。
10．．．LED光源
12．．．LED發射器
14．．．金屬標頭
16．．．線接合
18．．．囊封材料
20．．．LED光源
22．．．空氣界面
24．．．提取結構
40．．．光源
42．．．LED發射器
43．．．囊封件
44．．．氣隙
46．．．凹凸透鏡
46a．．．內表面
46b．．．外表面
46c．．．周邊
48．．．光軸
50．．．基板
52．．．線接合
80．．．準直光子系統
81．．．光線
82．．．準直透鏡
83．．．準直光線
84．．．反射偏光器
85．．．偏光光線
90．．．準直光子系統
92．．．四分之一波板(QWP)
200．．．投影子系統
202．．．準直光子系統
204．．．光束
206．．．集光透鏡
208．．．準直儀
210．．．固態發光器
212．．．電功率
214．．．散熱片
220．．．折光體
222．．．偏光束
224．．．偏光濾光器
226．．．第一外部透鏡表面
228．．．第二外部透鏡表面
230．．．塑性樹脂材料體
232．．．塑性樹脂材料體
236．．．影像形成裝置
238．．．電輸入匯流排
240．．．影像
250．．．投影透鏡總成
252．．．透鏡
254．．．透鏡
256．．．透鏡
258．．．透鏡
260．．．透鏡
262．．．影像投影光束
C1 ．．．中心點
C2 ．．．中心點
Fcol ．．．準直透鏡之焦距
Ffoc ．．．焦距
Fmen ．．．凹凸透鏡之焦距
Ftot ．．．準直光子系統之焦距
h．．．LED發射器之最大平面內尺寸
h1 ．．．第一虛像VI1 之最大平面內尺寸
H1 ．．．最大高度
h2 ．．．第二虛像VI2 之最大平面內尺寸
n0 ．．．折射率
n1 ．．．折射率
n2 ．．．折射率
r1 ．．．最大平面內半寬度或半徑
R1 ．．．第一曲率半徑
r2 ．．．最大平面內半寬度或半徑
R2 ．．．第二曲率半徑
Sag1 ．．．軸向距離
Sag2 ．．．軸向距離
VI1 ．．．第一虛像
VI2 ．．．第二虛像
θS ．．．光源角
圖1A為一囊封的LED光源之圖解說明。
圖1B為具有光提取結構之一未囊封的LED光源之圖解說明。
圖2為包含一中空凹凸集光透鏡之LED光源之示意性剖視圖。
圖3為圖2之LED光源之另一示意性剖視圖。
圖4展示具有額外光學元件的圖2及圖3之光源。
圖5展示具有額外光學元件的圖2、圖3及圖4之光源。
圖6A及圖6B為分別具有一複合囊封透鏡及一中空凹凸集光透鏡之LED光源的光學布局之示意性說明。
圖7為使用揭示的LED光源之一投影系統之圖解圖。
40．．．光源
42．．．LED發射器
43．．．囊封件
44．．．氣隙
46．．．凹凸透鏡/外透鏡
46a．．．內表面
46b．．．外表面
46c．．．周邊
48．．．光軸
n0 ．．．折射率
n1 ．．．折射率
n2 ．．．折射率
VI1 ．．．第一虛像
VI2 ．．．第二虛像
θS ．．．光源角

Claims (18)

  1. 一種光源裝置，其包含：一LED發射器，其具有一寬度2h；及一凹凸透鏡，其具有一中空空腔；其中該LED發射器係安置於該空腔中；及其中光被該LED發射器產生、被該凹凸透鏡折射並形成該LED發射器之一第一虛像與一第二虛像，該第二虛像安置在該LED發射器相對於該凹凸透鏡之一側上，該第一虛像則安置在該LED發射器與該第二虛像之間，該第二虛像具有一寬度2h2 ，其中h2 /h處於自3至4之範圍中。
  2. 如請求項1之光源裝置，其中該凹凸透鏡為超半球形。
  3. 如請求項2之光源裝置，其中該凹凸透鏡提供該LED發射器之一具有極小失真的虛像。
  4. 如請求項2之光源裝置，其中該凹凸透鏡係由折射率至少為1.8之一材料構成。
  5. 如請求項4之光源裝置，其中該折射率至少為1.9。
  6. 如請求項2之光源裝置，其中該空腔填充有一選自由地球大氣、一惰性氣體或真空組成之群的介質。
  7. 如請求項2之光源裝置，其進一步包含一上面黏著有該LED發射器的基板，且其中該凹凸透鏡係接合至該基板使得將該空腔得以密封。
  8. 如請求項2之光源裝置，其中該LED發射器在其之一發射表面上包含一光提取結構。
  9. 如請求項8之光源裝置，其中該光提取結構包含一光子晶體結構或一線柵格提取組件。
  10. 如請求項1之光源裝置，其中該凹凸透鏡係由折射率至少為1.8之一材料構成。
  11. 如請求項10之光源裝置，其中該折射率至少為1.9。
  12. 如請求項1之光源裝置，其中該空腔填充有一選自由地球大氣、一惰性氣體或真空組成之群的介質。
  13. 如請求項1之光源裝置，其進一步包含一上面黏著有該LED發射器的基板，且其中該凹凸透鏡係接合至該基板使得將該空腔得以密封。
  14. 如請求項1之光源裝置，其中該LED發射器在其之一發射表面上包含一光提取結構。
  15. 如請求項14之光源裝置，其中該光提取結構包含一光子晶體結構或一線柵格提取組件。
  16. 如請求項1之光源裝置，其進一步包含：一準直透鏡，其經定位以接收來自於該LED發射器而穿過該凹凸透鏡之光；一反射偏光器，其經定位以接收來自於該LED發射器而穿過該準直透鏡之光，該反射偏光器使具有一第一極性之準直光透射穿過其間，該反射偏光器朝向該LED發射器反射回具有一第二極性之光以用於光再利用。
  17. 如請求項16之光源裝置，且進一步包含一四分之一波板，其定位於該準直透鏡與該反射偏光器之間。
  18. 一種投影儀，其包含：一光引擎，其提供一光束，該光引擎包含如請求項1 所述之光源裝置；一影像形成裝置，其接收影像資料且接收該光束之至少一分量，該影像形成裝置提供一影像；及一投影透鏡總成，其接收該影像且提供一影像投影光束。
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