TWI501019B

TWI501019B - 光多工器暨回收器，及其組合的微投影機

Info

Publication number: TWI501019B
Application number: TW098102766A
Authority: TW
Inventors: Li Kenneth K
Original assignee: Wavien Inc
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2015-09-21
Also published as: TW200951613A

Description

光多工器暨回收器，及其組合的微投影機

本發明係有關一種多工處理發光二極體輸出之系統及方法，特別是一種透過回收增加多工處理之發光二極體輸出之亮度並結合在同一為投影機中。

光源被利用在各種型態的照明應用。典型的光源包括弧光燈、鹵素燈、螢光燈、微波燈以及發光二極體，但不限於上述方式。許多的應用需要一在較小之有效放射區域中具有較高亮度之照明系統。在習知技術中，能夠以增加更多的光源達成高亮度。然而，若是在一有限空間中結合光源及經濟效益上不可行的情況下，上述技術將不可能實現，因為結合並利用多重光源所需費用是昂貴的。因此，提出本發明係基於在不增加光源數量之下增加光源之亮度的需求。

舉例來說，微投影電視(micro-display based television，MDTV)具有低成本、大屏幕尺寸的潛力。傳統的微投影電視通常利用弧光燈做為照明。雖然此光源在最低成本下擁有最高亮度，但需要將白光分為三色且較短的壽命使得此光源較不理想。隨著發光二極體技術的進步，在微投影電視中利用發光二極體做為光源被認為具有發光二極體長壽命的特點以及其他像是立即點亮等優勢。然而，現今發光二極體用於小型影像面板或較大屏幕時，在低成本考量下不具有足夠的亮度。發光二極體回收方法已經被利用在增加光源的亮度上，請參考Zimmerman等人提出之美國專利公告第6,869,206號。然而，Zimmerman等人所描述是將發光二極體封閉在一具有一出光孔之光反射腔體中。以及Zimmerman等人提出之美國公告專利第6,144,536號描述一具有螢光劑塗佈包覆玻璃之螢光燈，其玻璃之中空內部裡填充氣體。由螢光劑所產生的光，一部份將被螢光劑回收。提出本發明係基於提供一可與一個或多個發光二極體耦合之回收裝置，藉著有效率地回收以增加發光二極體之可利用亮度之需求，使得在足夠亮度中，小尺寸面板之利用及大尺寸屏幕之照明得以被實現。

舉例來說，在許多照明應用上，例如一般照明、建築照明以及最近的投影電視，發光二極體為其中一種光源。舉例來說，當應用於投影電視上，為了提供電視螢幕上所需之高光輸出，發光二極體必須在一狹小的有效放射區域中放射出高亮度的光。更具體的說，在一狹小放射區域中發光二極體必須提供在一小立體角中強烈且以流明值為量測單位之高亮度光，以被利用在投影電視中。

雖然在發光二極體的發展上有十足的進展，但是對於應用在投影領域上，目前可取得之發光二極體之輸出亮度仍然不足。結合主要顏色之發光二極體與光輸出的回收以增加亮度等不同的方法已被提出。然而，這些方法中大多數是利用較昂貴的組件，及/或造成一較大、塊狀的裝置將大大限制其應用。因此，提出本發明係基於提供一低成本之可回收之發光二極體多工器以解決上述問題的需求。

隨著資料傳輸的進步，影像的顯示已成為市場中重要的溝通工具。舉例來說，雖然可攜式電子裝置，像是mp3播放器、手機、音訊及/或視訊播放器、可攜式數位助理，都持續地縮小尺寸以及降低售價，但是在上述可攜式電子裝置中對於大顯示區域的需求卻是沒有改變的。因此，現今螢幕尺寸限制了這些可攜式電子裝置的尺寸，而將微投影機與上述可攜式電子裝置結合將有高度的需求，不過昂貴的售價阻卻了全尺寸的結合。然而，目前市面之微投影機僅是單純縮減標準投影機之結構而已，因此價格仍然太高無法與低價位之可攜式電子裝置結合。任何嵌入這些可攜式電子裝置之組件最重要的因素是尺寸以及成本。因此，提出本發明係基於本發明之一實施例，提供一整合多工器/回收器之低成本微投影機。

因此，提出本發明係基於在維持小尺寸之發光二極體多工器條件下，提供具有回收功能以增加發光二極體之亮度之低成本發光二極體多工器。本發明之發光二極體多工器/回收器得以容易地結合低成本之微投影機並在低成本之可攜式電子裝置上使用。也就是說，本發明之微投影機結合具有回收功能之發光二極體多工器將有助於提供一小型、低成本、多功能及高亮度之發光二極體為基礎之照明系統，且可容易地與可攜式電子裝置整合。此發光二極體照明系統亦能多工處理色彩以提供彩色畫素顯示與時序顯示。

因此，本發明的目的之一係提供一具有回收功能以增加發光二極體之亮度之發光二極體多工器。

本發明的另一目的係提供一具有回收功能且小型、低成本之發光二極體多工器，其可容易地結合於一微投影機。

本發明的另一目的係提供一光導管為基礎之紅綠藍(RGB)多工器，其具有回收功能以有效率地結合紅色、綠色及藍色發光二極體之輸出並回收輸出以增加亮度。

本發明的另一目的係提供一可延伸至一晶圓級發光二極體投影系統之晶圓級發光二極體照明系統。因此，一完整之照明與投影系統能夠以晶圓形式製造，並在最後階段切割為單獨之系統。

本發明的另一目的係提供一在可攜式電子裝置中使用之低成本微投影機，其結合本發明之發光二極體多工器/回收器。

為了達到上述目的，本發明之一實施例之光多工器暨回收器包含一發光二極體層，其具有多個發光二極體，每一發光二極體放射出一光輸出。光多工器暨回收器更包含一光學層，其具有一輸入端與一輸出端。光學層之輸入端與多個發光二極體耦合以多工處理來自多個發光二極體之光輸出。一孔徑層與光學層之輸出端耦合，並具有一傳遞開口用以傳遞多工處理之光輸出之一部分，以提供一單一光輸出，且具有一反射表面以反射多工處理之光線之剩餘部份至光學層之輸入端，因此多工處理之光線之剩餘部份回收至多個發光二極體，以增加多個發光二極體之光輸出之亮度。

為了達到上述目的，本發明之一實施例之微投影機包含一發光二極體層，其具有一放射光輸出之發光二極體。微投影機更包含一光導管，其具有一輸入端以及一輸出端，光導管之輸入端與發光二極體耦合。一孔徑層，其與光導管之輸出端耦合並具有一傳遞開口以傳遞光輸出之一部分，並具有一反射表面以反射光輸出之剩餘部份至光導管之輸入端。因此，光輸出之剩餘部份回收至發光二極體，以增加發光二極體之光輸出亮度。微投影機也包含一反射偏光器，其置於光導管與孔徑層之間以傳遞一特定偏光之光輸出，並反射光輸出之其他偏光，藉以回收光輸出之未利用之偏光至發光二極體，以增加發光二極體之光輸出之亮度。微投影機更包含一矽基液晶(LCOS)面板，以接收與反射一特定偏光之光輸出，其中傳遞開口的尺寸實質上與矽基液晶面板之尺寸相符，使該偏光分束器與矽基液晶面板耦合之一面大於矽基液晶面板。另外，微投影機包含一投影透鏡，以捕捉來自矽基液晶面板之特定偏光之光輸出，以投影出影像。

為了達到上述目的，本發明之一實施例之微投影機包含一發光二極體層，其具有一放射光輸出之發光二極體，微投影機並具有一光導管具有一輸入端及一輸出端。光導管之該輸入端與發光二極體耦合。微投影機更包含一偏光分束器(PBS)，其所有表面拋光以提供內部全反射，使得偏光分束器作用有如一波導。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本創作之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

以下將參照相關圖式，說明本發明之實施例。這些實施例是用以闡明本發明之原理而不應解釋為限制本發明之範圍。

於一實施例中，本發明之光多工器暨回收器1000包含一發光二極體層1100，其包含多個發光二極體1140，每一發光二極體1140放射出一光輸出至一光學層1200，例如一光導管1200。光學層1200具有一輸入端1210與一輸出端1220。光學層1200之輸入端1210與多個發光二極體1140耦合以多工處理來自多個發光二極體1140之光輸出。另外，光多工器暨回收器1000包含一孔徑層1500，例如一反射塗料1500，孔徑層1500與光學層1200之輸出端1220耦合。孔徑層1500具有一傳遞開口1510用以傳遞多工處理之光輸出之一部分，以提供一單一光輸出1600，孔徑層1500並具有一反射表面以反射多工處理之光線之剩餘部份至光學層1200之輸入端1210，藉以回收多工處理之光線之剩餘部份至多個發光二極體1140，以增加多個發光二極體1140之光輸出之亮度。較佳者，除了光導管1200之輸入端1210與多個發光二極體1140耦合之區域1410、1420、1430之外，反射層1400覆蓋於光導管1200之輸入端1210，使得除了區域1410、1420、1430之外，輸入端1210可反射所有顏色之光線。

根據本發明之實施例，圖1為一光導管為基礎之光多工器暨回收器1000，其包含一發光二極體層1110，發光二極體層1110包含固定在一散熱座1150上之多個發光二極體晶片1140，光多工器暨回收器1000並包含一光學層或光導管1200。光多工器暨回收器1000利用光導管1200多工處理或結合紅光、綠光及藍光發光二極體晶片1110、1120、1130之輸出，以產生單一光輸出1600。根據本發明之觀點，反射層1400為一在光導管1200之輸入端或表面1210之反射塗料，使得除了輸入端或表面1210之上或對應發光二極體晶片1140之區域之外，輸入端1210可反射所有顏色之光。此外，在光導管1200之輸入端1210之上或對應紅光發光二極體晶片1110之區域1410塗佈可傳遞紅光之塗料，其可傳遞紅光但反射其他顏色之光，像是綠光以及藍光。相同地，在光導管1200之輸入端1210之上或對應綠光發光二極體晶片1120之區域1420塗佈可傳遞綠光之塗料，其可傳遞綠光但反射其他顏色之光，像是紅光以及藍光。在輸入端1210之上或對應藍光發光二極體晶片1130之區域1430塗佈可傳遞藍光之塗料，其可傳遞藍光但反射其他顏色之光，像是紅光以及綠光。如圖1所示，雖然只有一個紅光發光二極體晶片1110、一個綠光發光二極體晶片1120及一個藍光發光二極體晶片1130，但可以理解可將多個紅光發光二極體晶片1110、多個綠光發光二極體晶片1120以及多個藍光發光二極體晶片1130固定於散熱座1150上。較佳者，除了與光輸出1600耦合之輸出端或表面1200之傳遞開口1510之區域之外，光導管1200之輸出端或表面1220具有反射塗料1500。

當來自紅光發光二極體晶片1110之紅光進入光導管1200，紅光之一部分將會通過傳遞開口1510離開光導管1200。紅光之剩餘部份將會反射回光導管1200之輸入端1210並被回收。相同地，當來自綠光發光二極體晶片1120之綠光及來自藍光發光二極體晶片1130之藍光進入光導管1200，綠光及藍光之一部分將會通過傳遞開口1510離開光導管1200且綠光及藍光之剩餘部份被回收。

圖2顯示本發明之實施例之具有九個三種不同顏色(紅色、綠色以及藍色)發光二極體晶片1140之光多工器暨回收器之透視圖。在實際應用中，發光二極體晶片1140之數量以及由發光二極體晶片1140所放射之顏色可最佳化以產生所需之輸出。發光二極體晶片1140可以M×N陣列設置(M與N皆為正整數)，如圖2所示為3×3陣列。

圖3顯示孔徑層1500之兩實施例，孔徑層1500包含傳遞或輸出開口1510，其在光導管1200之輸出端1220被反射塗料1530所包圍。傳遞開口1510小於光導管1200之輸出端1220，且傳遞開口1510之開口長寬比為16：9(圖3(a))、4：3(圖3(b))或其他可接收之開口長寬比。

根據本發明之一實施例，傳遞開口1510塗佈一反射塗料1530以傳遞一特定顏色之光線，例如紅光，而將其他顏色之光線反射至光導管1200之輸入端1210以進行回收。較佳者，傳遞開口1510可另外塗佈一反射偏光塗料1540或覆蓋一反射偏光層1540以傳遞一特定偏光之光輸出，例如s偏光或是p偏光，並反射其他偏光之光輸出(例如未利用之偏光)以進行回收。或是，傳遞開口1510塗佈一反射偏光塗料或是覆蓋一反射偏光層1540而無反射塗料1530。根據本發明之觀點，光多工器暨回收器1000也包含一波片1550，其置於反射偏光層1540與反射塗料1530之間，或是置於反射偏光層1540與傳遞開口1510之間。波片1550能旋轉光輸出之偏光狀態，並將未利用之偏光轉變為可利用且特定之偏光。

根據本發明之一實施例，光多工器暨回收器1000包含一色輪，其包含多個彩色濾光器以傳遞對應彩色濾光器之色光並反射其它顏色之光線。也就是，將反射塗料1530以覆蓋在傳遞開口1510之色輪置換，以依據覆蓋在傳遞開口1510之色輪之彩色濾光器，選擇性地傳遞不同顏色之光。

圖1、2所示之本發明之實施例，其反射塗料1400、1500直接塗佈於光導管1200之輸入端1210與輸出端1220。此為效率很高但成本也高。因此，在低成本之應用中，反射塗料1400、1500可分別完成，例如選擇性地、對映地塗佈在薄玻璃板1400上。如圖4所示，可在一較大之玻璃板上選擇性地或依佈局圖樣塗佈一反射塗料，接著切割成合適的尺寸以符合光導管1200之輸入端1210或輸出端1220。依佈局圖樣塗佈或選擇性地塗佈之玻璃板1400附於光導管1200。

根據本發明之一實施例，光導管1200可為下列其中之一：空心光導管、實心光導管、直線型光導管、漸增式錐狀光導管、漸減式錐狀光導管、複合拋物面型集光器、由方程式所定義之任意型態之光導管、利用數值所定義或其他方法形成之完全任意型態之光導管或是任何合適之組合，例如直線型空心光導管、漸增式錐狀實心光導管。上述之不同類型之光導管在此統一稱為光導管。任何指為光導管之處將包含前述之任一型態之光導管或其不同之組合。

如圖5所示，根據本發明之一實施例，光多工器暨回收器1000之輸入側包含一光產生層1700，用以當被一光源1750激發時放射出光束，光產生層1700並具有一反射表面。光導管1120之輸入端1210與光產生層1700耦合以多工處理來自光產生層1700之光束，以提供一光輸出。如圖1所示，光多工器暨回收器1000之輸出側包含一孔徑層1500，其與光導管1120之輸出端1220耦合，並具有一傳遞開口1510以傳遞光輸出之一部分，以及一反射表面以反射光輸出之剩餘部份至光產生層1700，其反射並回收光輸出之剩餘部份至傳遞開口1510。

須注意者，雖然圖5中未示出，但包含光產生層1700之光多工器暨回收器100也包含一光導管1200，其輸出端1220部分或完全覆蓋反射塗料1530及/或反射偏光層1540，及/或波片1550，以傳遞特定顏色之光線及/或特定偏光，並且反射/回收其他未利用之色光及/或偏光，如圖1所示。光導管1200之輸入端1210置於接近由外部光源175所激發之光產生層1700之處，使得由光產生層1700所放射之光與光導管1200耦合。較佳者，光產生層1700也具有反射性，使得自光導管1200之輸出端1220反射之光線能自反射性光產生層1700完全或部分反射回光導管1200之輸出端1220。

根據本發明之一實施例，置於接近光導管1200之輸入端1210之光產生層1700包含一種或多種材料組成以放射出具有多個波長或顏色之光束。也就是，依據光產生層1700之材料組成，光產生層1700可放射單一顏色之光或多重顏色之光線。較佳者，不同材料組成空間分佈於光產生層1700，使得光產生層1700之每一區域放射不同顏色之光線。外部激發光源1750可為弧光燈、發光二極體、雷射等能放射單一波長或多重波長(也就是單一顏色或多重顏色)之光源。根據本發明之觀點，激發波長(也就是由外部激發光源1750所放射之光線之波長)可小於光產生層1700所放射之波長。舉例來說，一藍光或紫外光能夠用來產生紅光、綠光、藍光或其他顏色之光線。較佳者，光產生層1700可由螢光劑或其他與螢光劑相同特性之材料構成。或是，激發波長也可大於光產生層1700之波長。舉例來說，利用非線性晶體，紅外線能夠用來產生紅光、綠光、藍光或其他顏色之光。

根據本發明之一實施例，類似於在圖1中之反射塗料1400，光產生層1700可塗佈於光導管1200之輸入端1210。或者，類似於圖4中之薄玻璃板1400，光產生層1700能夠塗佈於透明材料上，例如一玻璃板，並置於接近光導管1200之輸入端1210，或是如圖6所示，直接塗佈於激發光源1750。舉例來說，螢光材料可直接塗佈於一藍光或紫外線發光二極體1750，而非線性晶體材料可直接塗佈於一紅外線發光二極體1750。一藍光或紫外線發光二極體1750之實施例為在氮化鎵上製造發光接面。一紅外線發光二極體1750之實施例為在神化鎵上製造發光接面。

根據本發明之一實施例，如圖7所示，光產生層1700置於相對光產生層1700兩側之全部或部分反射層1810之間所形成之一腔體1800，藉以使由光產生層1700所放射之光線具有較小之輸出角度分佈或降低角度分佈。根據本發明之觀點，激發光源1750與光產生層1700皆置於腔體1800內部，如圖7(a)所示。

根據本發明之一實施例，如圖8(a)所示，光產生層1700包含一種或多種不同之光產生材料1710(例如包含不同顏色之螢光劑)，用以當受到雷射激發時放射出一種或多種顏色之光。光產生材料可設置為一列、一行、一陣列或一些特定之圖案。舉例來說，圖8(b)顯示一具有三種不同光產生材料(綠色、紅色以及藍色光產生材料1710)之光產生層1700。較佳者，雷射為一二極體雷射。一藍光或紫外線雷射之實施例為利用氮化鎵材料製造之雷射。一紅外線雷射之實施例為利用砷化鎵製造之雷射。

根據本發明之一實施例，如圖9(a)所示，一或多個雷射1750可用來激發光產生層1700之一或多種光產生材料1710。舉例來說，在圖9(b)中，可使用三種不同雷射1750，每一雷射1750激發一不同光產生材料1710。如此可使光多工器暨回收器1000獨立控制光產生層1700所放射之三種不同顏色之光線。根據本發明之觀點，可使用多於一個雷射1710激發相同之光產生材料1710，如此可從光產生材料產生一較高的光輸出。舉例來說，在圖9(c)中，紅色與藍色光產生材料1710各由同一雷射1750所激發，但綠色光產生材料1710則由兩個雷射所激發，如此光產生層1700可產生多於藍光或紅光之綠光。

根據本發明之一實施例，如圖10所示，光產生層1700所塗佈之塗料1760能夠傳遞來自激發光源1750之光線，但反射由光產生層1700所產生之光線，使得此產生之光線只有一個放射方向，藉以增加本發明之光產生層1700與光多工器暨回收器之效率。較佳者，將塗料塗佈在靠近激發光源1750之光產生層1700之表面。

根據本發明之一實施例，利用來自三種不同雷射1750之雷射光束激發三種不同光產生材料1710(紅色、綠色及藍色光產生材料1710)。如圖11所示，利用三內部全反射(Total Internal Reflection，TIR)稜鏡或立方鏡1900，多工處理自三種光產生材料1710所放射之光線成為單一輸出。因為雷射光束具有非常窄之發射角，因此每一彩色之光產生材料1710可被多於一個雷射光束所激發，如此便可產生較高之光輸出。舉例來說，若為了白平衡需要較高之綠光輸出，那麼兩個雷射光束將被引導至綠色光產生材料1710，而只有一個雷射光束分別被引導至藍色與紅色光產生材料1710，如此便可產生較高之綠光輸出。

根據本發明之一實施例，內部全反射立方稜鏡1900包含兩個三角形稜鏡。兩個三角形稜鏡之所有表面皆拋光，使得內部全反射立方稜鏡1900作用有如一波導(waveguide)。三角形稜鏡於兩個三角形稜鏡之交接面上塗佈二向色性塗料(dichoric coating)1910以傳遞一特定波長或顏色之光線，並反射其他波長或顏色之光線。較佳者，此交接面為空氣間隔或是填充低折射率膠。

圖12至圖14為根據本發明之實施例之晶圓級照明系統2000及/或晶圓級投影系統3000之示意圖。晶圓級照明系統2000包含一散熱層2100以固定發光二極體晶圓或發光二極體層2200、一選擇性的濾光器層2300，較佳者為一彩色濾光器層2300、一光學層2400以及一孔徑層2500。晶圓級投影系統3000更包含一反射偏光層2600、一影像或顯示面板層2700，例如液晶顯示面板層或透光式影像面板層，以及一投影透鏡層2800。根據本發明之一實施例，現今的技術可將發光二極體製成相同顏色，但在同一晶圓上利用彩色螢光劑製成不同之彩色發光二極體2210。利用彩色螢光劑可將來自同一彩色發光二極體2210之放射光線轉變成數個其他顏色。舉例來說，利用一藍光或紫外線發光二極體晶圓提供多個單一顏色之發光二極體。不同之彩色螢光劑置於發光二極體晶圓上，如此便可產生不同之彩色發光二極體2210。也就是說，利用紅色、綠色及藍色螢光劑可以產生放射出三種主要顏色(紅色、綠色及藍色)之發光二極體2210。

較佳者，彩色濾光片層2300置於包含彩色發光二極體2210之發光二極體層2200，以增進晶圓級照明系統2000之回收效率。位於彩色發光二極體2210最上層之彩色濾光器只傳遞由發光二極體2210所放射之色光且反射其他顏色之光。舉例來說，在藍光發光二極體2210最上層之彩色濾光器將只傳遞藍光並將反射其他顏色之光。對於白光或單一顏色發光二極體的應用，濾光器層2300為非必要且可移除。

光學層2400在層層階層上轉變或形成光線。根據本發明之一實施例，如圖12所示，光學層2400包含一反射層2420與一透鏡層2440。依據不同的應用，光學層2400可包含一光導管陣列2450，如圖13所示，或包含一球面反射層2460以及一準直透鏡層2480。較佳者，依據不同的應用，晶圓級照明系統2000與晶圓級投影系統3000具有多重光學層2400。

根據本發明之一實施例，光導管2450可為下列其中之一：空心光導管、實心光導管、直線型光導管、漸增式錐狀光導管、漸減式錐狀光導管、複合拋物面型集光器、由方程式定義外型之任意型態之光導管、利用數值或其他方法形成之完全任意型態之光導管或是任何合適之組合，例如直線型空心光導管、漸增式錐狀實心光導管。上述之不同類型之光導管在此統一稱為光導管。任何指為光導管之處將包含前述之任一型態之光導管或其不同之組合。

離開光學層2400之光接著入射至包含多個孔徑或傳遞開口2510之孔徑層2500，在孔徑層2500中一部分之光被反射，一部分之光通過孔徑2510。反射之光線將回收至發光二極體2210。離開孔徑2510之光為未偏振之光輸出，其可使用於未偏振之應用，例如提供一晶圓級照明系統2000。

至於選擇性之反射偏光層2600可使用於液晶顯示、矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)及其他偏光應用，例如提供一晶圓級投影系統3000。較佳者，反射偏光層2600包含一波片層(未圖示)，其類似於圖1中之波片1550。反射偏光層或反射偏光器2600傳遞一特定偏光並反射其他偏光(也就是未利用之偏光)至發光二極體層2200，如此便可增加回收之效果。選擇性的波片層旋轉光輸出之偏光狀態並將未利用之偏光轉換為可用、特定之偏光。在目前階段，包含照明層2100至2600(具有或不具有選擇性的濾光器層2300、選擇性的反射偏光層2600或選擇性的波片層)之合成晶圓形成一發光二極體照明系統2000之陣列。發光二極體照明系統2000之陣列可在鋸痕線2900上切割為個別單獨部分，以提供多個分離之發光二極體照明系統2000。

根據本發明之一實施例，晶圓級照明系統2000更可與其他層整合以提供晶圓級投影系統3000。晶圓級投影系統3000更包含一顯示或影像面板層2700，其置於照明層2100至2600之最上層並緊接一個或多個投影透鏡層2800。根據本發明之一實施例，圖12顯示晶圓級投影系統2000，其影像面板層包含透光式液晶顯示面板2710。對於一彩色畫素液晶顯示面板來說，發光二極體2210可為具有白色螢光劑之白光發光二極體2210，或可為能夠即時調整顏色之紅光/綠光/藍光(RGB)結合在一起之發光二極體2210。對於一快速切換之液晶顯示面板2700來說，晶圓級投影系統3000可利用已知時間色彩多工處理以每次啟動一個或多個紅光、綠光、藍光發光二極體2210。再次，晶圓中完整之投影單元/系統3000在鋸痕線2900上切割為單獨之投影單元/系統3000。

利用光導管實現之晶圓級投影系統如圖13所示，且同樣地，影像面板層2700與投影透鏡層2800可附加於圖14所示之照明層2100至2600以提供一晶圓級投影系統。

對於嵌入式微投影機使用於可攜式電子裝置來說，例如手機、mp3播放器、可攜式數位助理等，最重要的因素是尺寸以及成本。因此減少在這些嵌入式微投影機中組件之數量以縮小尺寸與降低成本是重要的。根據本發明之一實施例，微投影機是利用多重發光二極體，即為紅光、綠光及藍光發光二極體在單一封裝體中。來自多重發光二極體之光輸出經多工處理將顏色結合，並回收以增加發光二極體之亮度，並在無透鏡情況下與矽基液晶面板耦合，如此便可減少組件之數量。

圖15為包含多個發光二極體4100之發光二極體封裝體4000之結構示意圖。較佳者，通常是由像是歐司朗的發光二極體製造商所提供之發光二極體封裝體4000包含一紅光、一藍光以及兩個綠光發光二極體4100。根據本發明之一實施例，發光二極體封裝體4000具有一較佳地塗佈二向色性塗料之外罩窗口或玻璃4200，以及一基座4300以固定多個發光二極體4100。舉例來說，在紅光發光二極體4100的最上層，塗料4400傳遞紅光並反射其他顏色之光線，如圖15所示。在綠光發光二極體4100的最上層，塗料4400傳遞綠光並反射其他顏色之光線，如圖15所示。在藍光發光二極體4100的最上層，塗料4400傳遞藍光並反射其他顏色之光線(未圖示)。根據本發明之一實施例，每一彩色發光二極體各為獨立驅動。或者，兩個綠光發光二極體4100可一起或分別驅動。

圖16顯示本發明之一實施例之一結合發光二極體結構4000之微投影機5000。根據本發明之一實施例之一結合發光二極體結構4000之微投影機5000包含發光二極體封裝體4000、一光導管5100，一偏光分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)5200，一投影透鏡5600、一矽基液晶面板5500、一選擇性的反射偏光器5300以及一選擇性的波片5400。光導管5100之輸入端或面5110實質上覆蓋發光二極體封裝體4000之所有發光二極體4100，並置於外罩窗口4200之上，用於耦合自發光二極體4100放射之光。根據本發明之一實施例，光導管5100可為下列其中之一：空心光導管、實心光導管、直線型光導管、漸增式錐狀光導管、漸減式錐狀光導管、複合拋物面型集光器、由方程式定義其外型之任意型態之光導管、利用數值或其他方法所形成之完全任意型態之光導管或是任何合適之組合，例如直線型空心光導管、漸增式錐狀實心光導管。上述之不同類型之光導管在此統一認為是光導管1200。任何指為光導管之處將包含前述之任一型態之光導管或其不同之組合。

光導管5100之輸出端5120之尺寸實質上與偏光分束器5200之尺寸相符，可將光耦合至偏光分束器5200。偏光分束器5200之所有表面拋光使其作用有如一波導。一反射偏光器5300置於光導管5100與偏光分束器5200之間使得只有特定之偏光能夠傳遞至偏光分束器5200。在光導管5100與反射偏光器5300之間，一選擇性的波片5400，較佳者為一四分之一波片，可用於增加系統之回收效率。如圖16所示，矽基液晶面板5500置於光導管5100之正對面。如圖17所示，依據偏光分束器5200之定位，矽基液晶面板5500可置於垂直面。投影透鏡5600可置於垂直於光導管5100，如圖16或圖17所示。由於入射至矽基液晶面板5500之光線會有相當程度的發散，通常為F/2.4，偏光分束器5200會大於矽基液晶面板5500，使得光能夠被投影透鏡5600捕捉而不會被偏光分束器5200阻擋。為了將損失減少至最低，矽基液晶面板5500儘量靠近偏光分束器5200。偏光分束器5200面對矽基液晶面板5500之表面塗佈反射塗料5210並具有一開口5215，其開口之尺寸與矽基液晶面板5500之尺寸相符。如此，一部分之光將照射矽基液晶面板5500，而入射至反射塗料5210之剩餘部份之光線反射回光導管5100並回收至發光二極體封裝體4000。

如圖18(a)-(c)及圖19(a)-(c)所示，根據本發明之一實施例，在圖16與圖17中之反射偏光器5300可去除，而其功能可以偏光分束器5200與偏光分束器5200上附加之反射塗料5210之組合所替代。此優點為去除微投影機之一組件，如此便可降低微投影機之成本。

根據本發明之一實施例，光導管5100之輸出端5120可製成凸面以增進光耦合。較佳者，光導管5100之輸出端5120之凸面形成一整合式透鏡。根據本發明之觀點，整合式透鏡之功能可用一選擇性的菲涅耳透鏡5700實現，其置於光導管5100與偏光分束器5200之間之。菲涅耳透鏡5700之優點在於非常薄且非常合適於本發明之整合式微投影機。菲涅耳透鏡5700或整合式透鏡之焦距可調整以達到最佳表現。

根據本發明之一實施例，微投影機5000可額外包含前述之彩色濾光器，其置於發光二極體封裝體4000之外罩玻璃4200。或是，前述之光多工器暨回收器1000中，彩色濾光器4400可塗佈於光導管5100之輸入面或輸入端5110上。較佳者，可使外罩玻璃4200成為一選擇性的組件，如此便可自微投影機5000去除另一組件。

雖然前述之發光二極體封裝體4000為一紅綠綠藍光發光二極體封裝體，發光二極體封裝體4000可包含多個發光二極體4100或彩色發光二極體4100之任意M×N陣列，M與N皆為正整數。根據本發明之一實施例，每一種顏色之發光二極體4100可包含有計畫地放置一個或多個發光二極體，使得彩色濾光器能夠容易地製作。也就是說，每一種顏色可由多個相鄰放置之小發光二極體構成。因此根據本發明之一實施例，相同顏色之發光二極體之叢集可視為一單一發光二極體。

較佳者，顏色之數量並不限定於前述之三種顏色(紅色、綠色及藍色)。可利用一包含單一顏色、兩種顏色、三種顏色或三種顏色以上之發光二極體之發光二極體封裝體實現本發明之微投影機。

根據本發明之一實施例，偏光分束器5200之所有表面皆拋光，偏光分束器5200之某些表面用以傳遞與內部全反射，其他表面只用以內部全反射。較佳者，這些只用以內部全反射之偏光分束器5200之表面可選擇性地塗佈反射塗料以易於安裝。

圖20係由矽基液晶面板5500方向所觀測之偏光分束器5200之示意圖，其顯示矽基液晶面板5500只利用偏光分束器之一部分，而偏光分束器之其他部分則為了回收之目的，具有反射性或具有反射塗料5210。

根據本發明之一實施例，微投影機5000利用只包含白光發光二極體4100而非紅綠綠藍光發光二極體4100之發光二極體封裝體4000。因此，於發光二極體封裝體上之塗料4400可以去除。微投影機5000包含一白色發光二極體4100、一光導管5100、一偏光分束器5200。如圖16至圖19所示，若使用標準矽基液晶面板5500，在螢幕上(未圖示)之輸出將會是黑白畫面。較佳者，使用一彩色畫素矽基液晶取代標準矽基液晶面板以產生彩色畫面。彩色畫素矽基液晶透過將透明彩色濾光器置於畫素之最上層製成，使得部份畫素為紅色、部份畫素為綠色而部分畫素為藍色。根據本發明之觀點，部分畫素不是彩色而是白色畫素，如此便可增強顯示之亮度。雖然彩色畫素矽基液晶簡化了結構，但解析度較差。在某些應用中，若可降低微投影機之複雜程度，便可降低微投影機之成本，較低解析度是可被接受的。

根據本發明之一實施例，微投影機5000結合一數位鏡像裝置5910(digital mirror device，DMD)，與德州儀器所製造之數位光處理裝置類似。較佳者，數位鏡像裝置5910固定於數位鏡像裝置封裝體5900。數位鏡像裝置5910具有許多可傾斜之小鏡面(畫素)。當光束(a)入射至畫素關閉之數位鏡像裝置5910時，光束將被反射遠離入射方向及遠離投影透鏡5600，且將不會投影在螢幕(未圖示)上。當啟動畫素時，數位鏡像裝置5910之鏡面將會朝入射光束傾斜，反射光線將直接朝向投影透鏡5600並投影在螢幕上。內部全反射立方稜鏡5800包含兩個三角形稜鏡5810、5820，其中第一三角形稜鏡5810提供由內部全反射所反射之入射光束至數位鏡像裝置5910。自數位鏡像裝置5910之反射光束沒有反射而是傳遞通過交接面至第二三角形稜鏡5820。兩個三角形稜鏡5810、5820形成平行交接面，使得自數位鏡像裝置5910之影像不會扭曲。

第一三角形稜鏡5810之所有面皆拋光(較佳者，第二三角形稜鏡5820之所有面也拋光)，使得其作用有如一波導。角度(θ)調整至最佳效率。由於入射至數位鏡像裝置5910之光具有一定數值之孔徑，內部全反射稜鏡5800之尺寸大於數位鏡像裝置之影像區域，如圖21所示。引導至內部全反射稜鏡5800之光在數位鏡像裝置5910表面較多，若光沒有被收集，那麼光通常將會損失掉。因此，根據本發明之一實施例，在內部全反射稜鏡5800之影像區域以外的區域覆蓋一反射結構5920。較佳者，反射結構5920為一具有角度之鏡面之陣列、具有角度之反射鏡陣列、具有角度之鏡面陣列、光柵或逆向反射鏡陣列，使得入射至具有角度之鏡面之陣列5920以入射方向反射回去，如圖21中光束(b)所示。具有角度之鏡面之陣列5920以一預定間距製成，以決定其厚度。其限制通常來自於內部全反射稜鏡5800與數位鏡像裝置封裝體5900之間之空間。反射之光線最後通過光導管5100並回到發光二極體4100。

參照圖22(a)、(b)說明本發明之一實施例之光多工器暨反射器6000。光多工器暨反射器6000包含一光導管6100。光導管6100之截面可為矩形、正方形、圓形等。根據本發明之一實施例，光導管6100可為下列其中之一：空心光導管、實心光導管、直線型光導管、漸增式錐狀光導管、漸減式錐狀光導管、複合拋物面型集光器、由方程式定義其外型之任意型態之光導管、利用數值或其他方法所形成之完全任意型態之光導管或是任何合適之組合，例如直線型空心光導管、漸增式錐狀實心光導管。上述之不同類型之光導管在此統一認為是光導管1200。任何指為光導管之處將包含前述之任一型態之光導管或其不同之組合。

光導管6100之頂面6140、底面6130、左表面6110塗佈反射塗料，而光導管之右邊為輸出端6120。如圖22(a)所示，底面6130朝上並具有三個開口以放置發光二極體晶片6200。紅光發光二極體晶片6200置於具有CR塗料之紅色窗口6310中，CR塗料可傳遞紅光而反射綠光及藍光。綠光發光二極體晶片6200置於具有CG塗料之綠色窗口6320中，CG塗料可傳遞綠光而反射紅光及藍光。藍光發光二極體晶片6200置於具有CB塗料之藍色窗口6330中，CB塗料可傳遞藍光而反射紅光及綠光。光導管6100之側璧可選擇性地塗佈以適合於內部全反射。因此，由於紅色反射窗口6310，自紅光發光二極體晶片6200之光線將不會看到綠光或藍光發光二極體晶片6200。自綠光或藍光發光二極體晶片6200之光線也有相同的結果。

因此，每一顏色將形成各自之回收系統且所有顏色將在同一光導管6100混合並產生一多工處理輸出6400。

雖然圖22(a)至(b)顯示之組態是利用紅光、綠光以及藍光發光二極體晶片6200，但在一般的配置中可以包含具有一種或多種顏色之兩個或多個晶片，如圖23所示。對應之塗料使用在相符的每一種顏色之發光二極體晶片6200。舉例來說，具有相同顏色之兩個或多個晶片6200用於相同型態之具有塗料之窗口6310、6320、6330。依據特別應用中不同顏色所需之相對強度，使用適當數量之晶片。在圖22及圖23中為單一發光二極體晶片6200之發光二極體晶片6200也可由多個相同顏色之晶片以一陣列形式聚集所組成。較佳者，這些晶片之間為最小間隔。

如圖24所示，根據本發明之一實施例，光多工器暨回收器6000另外包含一輸出反射孔徑，其具有適合於特別應用之開口於光導管6100之輸出端6120，如此便可提供額外之回收。在偏光應用中，可加入一反射偏光器6500與一選擇性的波片6600。這裡所提到之反射塗料、孔徑、反射偏光器以及選擇性的波片與本發明之其他實施例相關之敘述皆相同，將不在此再做描述。

如圖25所示，根據本發明之一實施例，光多工器暨回收器6000包含一錐狀光導管6700，其可與回收/多工處理光導管6100整合或是成為一獨立光導管6700以將輸出轉變為所需之尺寸與角度。

如圖26(a)所示，根據本發明之一實施例，使用白光發光二極體6200之光多工器暨回收器或系統6000，其窗口6340無塗料。當使用單一顏色之發光二極體6200時，也可使用沒有塗料之窗口6200，如圖26(a)所示。

如圖26(b)所示，根據本發明之一實施例，可以使用兩個波長彼此相當接近之發光二極體，利用具有塗料之窗口6350、6360共同多工處理，以增加系統6000之亮度。舉例來說，此實施例可利用兩個或多個綠光晶片6200，因為波長相當接近因此可視為綠色。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1000．．．光多工器暨回收器

1100．．．發光二極體層

1110．．．紅光發光二極體晶片

1120．．．綠光發光二極體晶片

1130．．．藍光發光二極體晶片

1140．．．發光二極體

1150．．．散熱座

1200．．．光學層

1210．．．輸入端

1220．．．輸出端

1400．．．反射層

1410．．．紅光發光二極體晶片耦合之區域

1420．．．綠光發光二極體晶片耦合之區域

1430．．．藍光發光二極體晶片耦合之區域

1500．．．孔徑層

1510．．．傳遞開口

1530．．．反射塗料

1540．．．反射偏光塗料

1550．．．波片

1600．．．單一光輸出

1700．．．光產生層

1710．．．光產生材料

1750．．．光源

1760．．．塗料

1800．．．腔體

1810．．．反射層

1900．．．內部全反射立方稜鏡

1910．．．二向色性塗料

2000．．．晶圓級照明系統

2100．．．散熱層

2200．．．發光二極體層

2210．．．彩色發光二極體

2300．．．彩色濾光器層

2400．．．光學層

2420．．．反射層

2440．．．透鏡層

2450．．．光導管陣列

2460．．．球面反射層

2480．．．準直透鏡層

2500．．．孔徑層

2510．．．傳遞開口

2600．．．反射偏光層

2700．．．顯示或影像面板層

2710．．．透光式液晶顯示面板層

2800．．．投影透鏡層

2900．．．鋸痕線

3000．．．晶圓級投影系統

4000．．．發光二極體封裝體

4100．．．發光二極體

4200．．．外罩窗口

4300．．．基座

4400．．．塗料、彩色濾光器

5000．．．微投影機

5100．．．光導管

5110．．．輸入端

5120．．．輸出端

5200．．．偏光分束器

5210．．．反射塗料

5215．．．開口

5300．．．反射偏光器

5400．．．波片

5500．．．矽基液晶面板

5600．．．投影透鏡

5700．．．菲涅耳透鏡

5800．．．內部全反射立方稜鏡

5810．．．三角形稜鏡

5820．．．三角形稜鏡

5900．．．數位鏡像裝置封裝體

5910．．．數位鏡像裝置

5920．．．反射結構

6000．．．光多工器暨反射器

6100．．．光導管

6110．．．光導管左端

6120．．．輸出端

6130．．．光導管底面

6140．．．光導管頂面

6200．．．發光二極體晶片

6310．．．紅色窗口

6320．．．綠色窗口

6330．．．藍色窗口

6340．．．無塗料之窗口

6350．．．具有塗料之窗口

6360．．．具有塗料之窗口

6400．．．多工處理輸出

6500．．．反射偏光器

6600．．．波片

6700．．．錐狀光導管

圖1為一剖面圖，顯示本發明之一實施例之光導管為基之光多工器暨回收器。

圖2為顯示圖1之光導管為基礎之光多工器暨回收器之透視圖。

圖3為根據本發明之一實施例，除了傳遞開口之外，光導管之輸出端塗佈反射塗料之透視圖。

圖4為根據本發明之一實施例之具有選擇地塗佈之薄玻璃板附著於輸入端之光導管為基礎之光多工器暨回收器之透視圖。

圖5為根據本發明之一實施例，利用外部光源所激發之光產生層之光多工器暨回收器之剖面圖。

圖6為根據本發明之一實施例，具有直接塗佈於外部光源之光產生層之圖5之光多工器暨回收器之剖面圖。

圖7(a)至(b)為根據本發明之一實施例，安置光產生層及/或外部激發光源之腔體之剖面圖。

圖8(a)為根據本發明之一實施例，包含由雷射激發之一種或多種不同光產生材料之光產生層之圖5之光多工器暨回收器之剖面圖。

圖8(b)為根據本發明之一實施例，包含由雷射激發之三種不同光產生材料之光產生層之示意圖。

圖9(a)至(c)為根據本發明之一實施例，包含由一或多雷射激發之一種或多種不同光產生材料之光產生層之圖5之光多工器暨回收器之剖面圖。

圖10為根據本發明之一實施例，具有塗料之光產生層之剖面圖。

圖11為根據本發明之一實施例，多工處理來自三種不同之光產生材料以形成一單一輸出之三個立方稜鏡之剖面圖。

圖12為根據本發明之一實施例之晶圓級照明系統及/或晶圓級投影系統之示意圖。

圖13為根據本發明之一實施例之晶圓級光導管為基礎之照明系統且/或晶圓級光導管為基礎之投影系統之示意圖。

圖14為根據本發明之另一實施例之晶圓級照明系統及/或晶圓級投影系統之示意圖。

圖15為根據本發明之一實施例，具有外罩玻璃之發光二極體封裝體之剖面圖。

圖16至19為根據本發明之一實施例之微投影機之剖面圖。

圖20為根據本發明之一實施例，除了一與矽基液晶面板耦合之開口之外，偏光分束器之一面塗佈反射塗料之示意圖。

圖21為根據本發明之一實施例，結合數位鏡像裝置之微投影機之剖面圖。

圖22至26為根據本發明之一實施例之光多工器暨回收器之示意圖。

1000．．．光多工器暨回收器

1100．．．發光二極體層

1110．．．紅色發光二極體晶片

1120．．．綠色發光二極體晶片

1130．．．藍色發光二極體晶片

1140．．．多個發光二極體