WO2006119723A1 - Projektionseinrichtung - Google Patents

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WO2006119723A1
WO2006119723A1 PCT/DE2006/000698 DE2006000698W WO2006119723A1 WO 2006119723 A1 WO2006119723 A1 WO 2006119723A1 DE 2006000698 W DE2006000698 W DE 2006000698W WO 2006119723 A1 WO2006119723 A1 WO 2006119723A1
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projection device
radiation
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Gerhard Kuhn
Josef Hüttner
Mario Wanninger
Georg Bogner
Moritz Engl
Patrick Kromotis
Stefan GRÖTSCH
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a projection device having a light modulator and at least one light source, which has LED chips.
  • the brightness of a projected image is particularly important.
  • light sources for projection devices of the type mentioned above are usually equipped with the largest possible number of luminescence diode chips.
  • a projection device according to claim 1 and according to claim 2.
  • Advantageous developments and preferred embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the number N of the LED chips is selected in consideration of characteristics of the light modulator. Surprisingly, it has been found that optimal efficiency with regard to the generation of a high luminance in a projection device is possible only with a relatively small number of LED chips compared to conventional projection devices.
  • the size A 1 of a cross-sectional area of a light-receiving area of the light modulator to be illuminated and a maximum acceptance angle ⁇ of this light-receiving area for incident light are taken into account.
  • the maximum acceptance angle ⁇ of the light receiving area is the maximum angle of incidence provided for the light modulator for light incident on the light modulator.
  • the size A- Q is a radiation decoupling surface of the LED chips and a maximum beam angle ß account of these.
  • the radiation coupling-out area A 1 and the maximum emission angle J 3 of only one of the LED chips ie at least one LED chip has a radiation coupling-out area of the size Aj).
  • the radiation coupling-out surface of a luminescence diode chip is that outer surface via which electromagnetic radiation is coupled out of the luminescence diode chip.
  • the maximum emission angle p is measured with respect to a main emission direction of the LED chip and is the angle below which a significant intensity of Electromagnetic radiation is coupled out of the Lumineszenzdiodenchip.
  • At least one optical element is arranged in an optical path between the LED chips and the light modulator.
  • n the refractive index of a material of a coupling medium with which the radiation outcoupling surface of the LED chips is provided, which is explained in more detail below.
  • a coupling medium is to be understood as meaning a medium by means of which the radiation decoupling from the luminescence diode chips, T / DE2006 / 000698
  • a capsule material is to be understood as meaning a material which is suitable for encapsulating or covering luminescence diode chips in a manner known per se, so that they are protected from external influences.
  • the luminescence diode chips are also free of a coupling medium when the radiation coupling-out surface A ⁇ is provided with a capsule material such that the radiation extraction from the luminescence diode chips is influenced only to a negligible extent by the capsule material.
  • the capsule material on the radiation decoupling surface Ap has a thickness which is less than or equal to 0.2 times a maximum distance of mutually opposite chip edges of the LED chips.
  • the maximum lateral distance is equal to the chip edge length.
  • the expression corresponds to the length of the longer chip edges.
  • the maximum lateral extent in the sense of the present invention corresponds to the greatest distance from mutually opposite chip edges.
  • a capsule material with a refractive index of greater than 1 applied essentially as a planar layer, is not to be understood as a coupling medium in the sense of the present invention under the above conditions.
  • air is basically not to be understood as a coupling medium.
  • the radiation decoupling surface A 1 of the luminescence diode chips is provided with a coupling medium.
  • n is equal to the refractive index of the coupling material.
  • the radiation decoupling surface Ap of the LED chips is provided with a coupling material having a thickness of greater than 0.2 times a maximum distance from each other having lying chip edges.
  • the coupling material may for example also be an encapsulating material.
  • the luminescence diode chips preferably have a thin-film layer with an active region emitting electromagnetic radiation, which is essentially free of a growth substrate and provided with a reflector on a side facing away from a main emission surface.
  • a thin-film luminescence diode chip is characterized in particular by the following characteristic features:
  • a reflective layer is applied or formed which reflects back at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence
  • the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 microns or less, in particular in the range of 10 microns or less, and
  • the epitaxial layer sequence contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a thorough mixing structure which, in the ideal case, leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, that is to say it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • a thin-film luminescence diode chip is, to a good approximation, a Lambertian surface radiator and is therefore particularly well suited for use in the light source for the projection device.
  • a maximum radiation angle ⁇ of 90 ° is generally assumed for thin-film LED chips.
  • the proportion of over the side surfaces of the thin-film layer For example, it often amounts to less than 1% of the total emission, which is why the proportion of these side surfaces at the radiation outcoupling surface A D in the case of thin-film luminescence diode chips can also be neglected.
  • the LED chips are arranged in a matrix with x rows and y columns, possible values for the number x being based on the quotient of (1 ⁇ * sin ( ⁇ )) and (I Q * sin (J3 ) * n) and possible values for the number y are determined by the quotient of (bj / j * sin ( ⁇ )) and (b ⁇ * sin (j3) * n) and these values exceed the corresponding quotient by a maximum of 30% or fall below.
  • I ⁇ denotes a length
  • I- Q and bj ⁇ denote a length and a width, respectively, of the main emission surface of the thin-film layer of the LED chips or a LED chip.
  • the arrangement of the LED chips is adapted to the shape of the light receiving area, whereby a light generated by the LED chips can be used even more effectively.
  • Possible values for the number N or for the number x or y are particularly preferably equal to the corresponding value of the quotient rounded up or down to an adjacent integer. As a result, the most efficient utilization of the light generated by the LED chips can be achieved.
  • determining the number N it is always also possible within the meaning of the present invention to specify a specific number N for the LED chips and to adapt the size of the LED chips or their radiation output surface A or their lengths and widths to a value determined using the above formula , It then applies, for example, for the radiation output surface accordingly
  • possible values for the number N or for the number x or y are equal to the corresponding quotients rounded up or down to an adjacent even number.
  • An even number N may be advantageous, for example, if the LED chips are arranged in an even number of groups.
  • each group of LED chips is followed by a separate optical element.
  • a main emission surface of the LED chips has a substantially rectangular shape.
  • the shape of the luminescence diode chips and / or the radiation coupling-out area £, the luminescence diode chips can better match the shape or the contour of the light-receiving region of the light-emitting diode Light modulator can be adjusted. This, too, is conducive to improving the utilization of the light emitted from the light source.
  • a plurality of LED chips together is assigned an optical element.
  • the LED chips are subdivided into at least two groups, to each of which a separate optical element is assigned.
  • At least part of the LED chips is suitably followed by a respective luminescence conversion element, by means of which an electromagnetic radiation emitted by the LED chips is at least partially converted into electromagnetic radiation having a different wavelength.
  • white light can be generated with a luminescence conversion element, for example if a blue-emitting luminescence diode chip is combined with a yellow-emitting luminescent substance.
  • various luminescence diode chips are advantageously arranged downstream of different luminescence conversion materials, which preferably emit light of different colors or from different wavelength ranges.
  • each of these luminescence conversion materials has a single phosphor.
  • a higher efficiency in the conversion of electromagnetic radiation can be achieved, because, when using a plurality of phosphors, light emitted by a first phosphor can be reabsorbed by a second phosphor.
  • phosphors for producing colored light it is generally possible to achieve a broader emission spectrum than just with luminescence diode chips. Overall, this approach can achieve light with improved color rendition.
  • the optical element is preferably formed in the manner of a non-imaging optical concentrator, which is provided for a reverse radiation as compared to a conventional use of a concentrator.
  • a light input of the optical concentrator is positioned as close as possible to the luminescence diode chips.
  • the solid angle in which the light is emitted from the optical element is reduced by the optical element as close as possible to the luminescence diode chips, where a cross-sectional area of the beam cone is still small. This is particularly necessary if the highest possible radiation intensity is to be projected onto the smallest possible area, as is the case with projection devices.
  • etendue An important conservation feature in geometrical optics is the etendue, which means the optical conductivity. It is the product of the surface area of a light source and the Solid angle into which it radiates. Etendue describes the extension of a light cone of any intensity.
  • a diffuse radiation source for example a light-emitting diode chip, ie to redirect it to a smaller-area surface without incurring losses, which is why it is advantageous is when the light beam enters the optical element with as small a cross section as possible.
  • the light is collimated so strongly by means of the optical element, that is to say the divergence of the light is reduced so much that it is emitted from the optical element in a beam cone with an opening angle which is less than or equal to the maximum acceptance angle ⁇ is the light receiving area of the light modulator.
  • the opening angle of the cone of rays is according to an advantageous embodiment, less than or equal to 25 °, preferably less than or equal to 20 °, more preferably less than or equal to 15 °.
  • the optical concentrator is advantageously a CPC-, CEC- or CHC-type optical concentrator, by which is meant here and below a concentrator whose reflective side walls at least partially and / or at least substantially the shape of a compound parabolic concentrator (Compound Parabolic Concentrator, CPC), a Compound Elliptic Concentrator (CEC) and / or a Compound Hyperbolic Concentrator (CHC).
  • CPC compound Parabolic Concentrator
  • CEC Compound Elliptic Concentrator
  • CHC Compound Hyperbolic Concentrator
  • the reflective surfaces of the optical element are partially or completely formed as free-form surfaces in order to optimally set a desired radiation characteristic.
  • the optical element preferably resembles a CPC, a CEC or a CHC.
  • the concentrator advantageously has sidewalls which connect a radiation input to a radiation output and which are designed in such a way that direct connecting lines extending on the sidewalls between the radiation input and the radiation output are substantially straight.
  • the optical element expediently has a base body which defines a cavity and whose inner wall is reflective at least for a spectral portion of the light emitted by the light source.
  • the optical element is advantageously designed in the nature of a dielectric concentrator and has a body in the form of a solid body with a dielectric material of suitable refractive index, so that light coupled into the optical element reflects by total reflection at lateral boundaries of the solid body to the surrounding medium becomes. By exploiting the total reflection, absorption of the light during its reflection can be largely avoided.
  • the optical element has a radiation output with a lens-like arched interface on. This makes it possible to achieve a further reduction in the divergence of the light.
  • the optical element is advantageously designed as a light guide with a constant cross-sectional area or with a cross-sectional area increasing towards the light exit for mixing light.
  • the cross-sectional area of the optical element preferably has the shape of an even-numbered polygon. Its outer surfaces are expediently straight and have flat faces, whereby a good mixture of the light can be ensured.
  • Such an embodiment of the optical element is particularly advantageous when differently colored light is coupled into the optical element to be mixed to white light.
  • Such a light guide for mixing light is arranged downstream of the optical element of the projection device in the beam path.
  • a part of adjacent luminescence diode chips or all neighboring luminescence diodes are arranged with as small a distance as possible from one another.
  • the distance is preferably less than or equal to 300 microns, more preferably less than or equal to 100 microns and is greater than or equal to 0 microns. This measure is advantageous for achieving the highest possible radiance in the projection device.
  • the optical element preferably has a substantially rectangular cross-section on the side of a radiation exit.
  • a cross section of the light cone in the optical element are formed such that it is at least partially adapted to the cross section of the light receiving region of the light modulator.
  • the optical element has a first maximum emission angle along a first plane and a second maximum emission angle, which differs from the first maximum emission angle, along a second plane.
  • the optical element is configured such that light irradiated by a radiation input is emitted out of the optical element along the first plane at the first maximum angle and along the second plane at the second maximum angle.
  • the first and second planes extend in particular parallel to a main emission direction of the optical element.
  • the first and the second plane are arranged perpendicular to each other. This measure can also be advantageous for achieving an adaptation of the light cone to the light modulator.
  • the first maximum emission angle is preferably between 10 ° inclusive and 13 ° inclusive
  • the second maximum emission angle is preferably between 13 ° inclusive and 18 ° inclusive.
  • Figure l is a schematic structure of
  • FIG. 2 shows the light modulator of the projection device illustrated in FIG. 1 in a schematic plan view of its light receiving region
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a luminescence diode chip
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of the light source and a part of the optical element according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of the light source and a part of the optical element according to a second embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of the light source and a part of the optical element according to a third embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view of the light source and a part of the optical element according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of the light source and a part of the optical element according to a fifth exemplary embodiment
  • 9 is a schematic plan view of an arrangement of LED chips of the light source according to a first embodiment
  • FIG. 10 shows a schematic sectional view of the light source according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 11 shows a schematic sectional view of the light source according to a third exemplary embodiment
  • Figure 12 is a schematic perspective view of a light source according to a fourth
  • FIG. 13 is a schematic perspective view of an optical element according to a second embodiment
  • Figure 14 is a schematic perspective view of a light source according to a fifth
  • Figure 15 is a schematic perspective view of a light source according to a sixth
  • Figure 16 is a schematic perspective view of a light source according to a seventh
  • Embodiment and optical elements according to a fifth embodiment is a schematic perspective view of the optical element according to a sixth embodiment.
  • FIG. 18 shows a schematic perspective illustration of the light source according to an eighth exemplary embodiment
  • FIG. 19 is a schematic perspective view of the light source according to a ninth embodiment.
  • FIG. 20 is a schematic perspective view of the light source according to a tenth embodiment
  • FIG. 21 is a schematic perspective view of the light source according to an eleventh embodiment
  • FIG. 22 a shows a schematic perspective illustration of the light source according to a twelfth exemplary embodiment
  • FIG. 22b shows a plan view of the light source shown in FIG. 22a
  • FIG. 23 is a schematic perspective view of the light source according to a thirteenth embodiment and optical elements according to a seventh embodiment; 6 000698
  • FIG. 24 shows a schematic perspective illustration of the light source according to a fourteenth exemplary embodiment
  • FIG. 25 shows a schematic perspective view of the light source according to a fifteenth exemplary embodiment
  • FIG. 26 shows a schematic perspective view of the light source according to a sixteenth exemplary embodiment
  • FIG. 27 shows a schematic perspective illustration of the light source according to a seventeenth exemplary embodiment
  • FIG. 28 is a perspective schematic view of the light source according to an eighteenth embodiment and optical elements according to an eighth embodiment
  • FIG. 29 shows a schematic perspective illustration of a housing for the light source according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 30 shows a schematic perspective view of a housing for the light source according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 31 shows a schematic perspective illustration of a housing for the light source according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 32 shows a schematic perspective illustration of a housing for the light source according to a fourth exemplary embodiment
  • 33a is a schematic perspective view of the optical element according to a ninth embodiment.
  • 33b is a schematic perspective view of the optical element according to a tenth embodiment
  • 33c is a schematic perspective view of the light source according to a nineteenth embodiment and the optical element according to an eleventh embodiment,
  • 34a is a schematic perspective view of the optical element according to a twelfth embodiment
  • 34b is a schematic perspective view of the optical element according to a thirteenth embodiment
  • 34c is a schematic perspective view of optical elements according to a fourteenth embodiment
  • 34d is a schematic perspective view of optical elements according to a fifteenth embodiment, E2006 / 000698
  • FIG. 35 is a schematic perspective view of the light source according to a twentieth embodiment and the optical element according to a sixteenth embodiment;
  • FIG. 36 is a schematic perspective view of the light source according to a twenty-first embodiment and the optical element according to a seventeenth embodiment;
  • FIG. 37 is a schematic perspective view of the optical element according to an eighteenth embodiment
  • FIG. 38 is a schematic perspective view of the optical element according to a nineteenth embodiment.
  • FIG. 39 is a schematic perspective view of the optical element according to a twentieth embodiment.
  • FIG. 40 shows a plot of the light intensity as a function of the distance to the optical axis measured in a beam path behind the optical element shown in FIG. 39 and behind the optical element shown in FIG.
  • the projection device shown in Figure 1 comprises a light source 2, an optical element 1 and a light modulator 3.
  • the projection device 4 may have various other elements, which are omitted for description of the embodiment for reasons of clarity.
  • the light source 2, the optical element 1 and the light modulator are arranged along a beam path of the projection device 4, wherein the beam path does not have to be linear, but can be arbitrarily deflected, for example by means of deflection and / or divided by beam splitters one or more times.
  • the light source 2 has a plurality of luminescence diode chips 21, it being alternatively possible to use a single luminescence diode chip 21 which has a correspondingly large radiation coupling-out surface in common with the plurality of luminescence diode chips.
  • the luminescence diode chips have a maximum emission angle J3, the maximum emission angle ⁇ preferably being the angle below which at least 0.5% of the radiation power emitted by the latter under a main emission direction of the luminescence diode chip 21 is emitted.
  • the luminescence diode chips are, for example, thin-film luminescence diode chips which, to a good approximation, have a maximum radiation angle j3 of 90 °. 00698
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a thin-film LED chip. It has a thin-film layer 211 which, for example, has a thickness of less than or equal to 20 ⁇ m, for example 9 ⁇ m.
  • the thin film layer 211 is in
  • the thin-film layer 211 is applied to a carrier element 215 such that the reflector 216 to. this is turned around and, for example, adjacent to the support member 215.
  • the carrier element 215 is, for example, a carrier substrate.
  • the carrier element 215 is not a component of the LED chip 21, but that the thin film layer 211 with the side on which the reflector 216 is applied, directly on a chip mounting surface, such as a chip package or other chip carrier is applied.
  • the thin-film layer comprises a semiconductor layer sequence, for example with an n-type doped region 212, an active zone 213 which emits electromagnetic radiation, and a p-type doped region 214.
  • a radiation intensity which is negligibly large in the sense of the present invention is emitted at beam angles which are greater than 90 °.
  • the light modulator 3 has a light receiving region 31, see Figure 2. It is for example a micromirror chip with a plurality of micromirrors which are tilted independently of each other about at least one axis, so that by a 00698
  • Tilting the mirror individual pixels of an image to be projected, for example, light or dark can be switched.
  • the light receiving area is defined by the micromirrors, i. its outer contour runs along the outer edges of the outside on the micromirror chip arranged micromirrors.
  • the light modulator 3 may be, for example, a micro liquid crystal display (micro LCD display) in which the light is modulated by turning on and off filters instead of tilting small mirrors.
  • a micro liquid crystal display micro LCD display
  • LCOS Liquid Crystal on Silicon
  • the light receiving area 31 has a rectangular cross-sectional area to be illuminated, but it may be square or otherwise shaped.
  • the rectangular cross-sectional area of the light receiving area 31 has a diagonal 32 of, for example, 0.5 inch or 0.8 inch, with 1 inch corresponding to 25.4 mm.
  • the width of the cross-sectional area to be illuminated has, for example, a ratio of 3: 4 or 9:16 to the length thereof.
  • the light receiving region 31 of the light modulator 3 has a maximum acceptance angle ⁇ , see FIG. 1.
  • this angle corresponds, for example, to that angle by which the micromirrors can be tilted to the maximum from a planar position.
  • This angle is for example +/- 12 °, +/- 14.5 ° or +/- 15 °.
  • Possible values for the maximum acceptance angle are, for example 00698
  • Light which strikes the light receiving region 31 at a larger angle than the maximum acceptance angle ⁇ can not be modulated or not in a prescribed manner. Therefore, it is important that the divergence of a light cone 22 emitted from the light source 2 is reduced as much as possible by the optical element so that at least most of the light incident at an angle on the light receiving region 31 of the light modulator 3 is smaller than the maximum acceptance angle ⁇ is.
  • the light cone 22 exits, for example, at a maximum angle y of less than or equal to 20 ° from the optical element 1.
  • the angle ⁇ is e.g. 12 °.
  • luminescence diode chips 21 of a certain size are provided for the light source 2, then possible values for the number N of luminescence diode chips can be determined on the basis of this relationship with which the most efficient use of the radiation emitted by the luminescence diode chips is possible. Alternatively, it is also possible to predetermine the number N of the luminescence diode chips 21 and, using the above relationship, to determine possible dimensions for the luminescence diode chips or possible sizes for the radiation coupling-out area of the luminescence diode chips 21. Which value is used for n in the above relationship depends on the extent to which the radiation extraction from the LED chips is influenced by appropriate means.
  • n 1.
  • FIG. 4 An example of this is shown in which the luminescence diode chips 21, in particular their radiation output surfaces , are substantially free of capsule or coupling material.
  • a capsule or coupling material is meant, for example, a dielectric material which is permeable to the radiation emitted by the LED chips 21 and has a refractive index which preferably corresponds to that of a semiconductor material of the LED chips 21, so that Fresnel losses and total reflections at the interface between semiconductor material and surrounding medium are significantly reduced.
  • Fresnel losses are losses due to reflections at interfaces where there is a refractive index jump.
  • a typical example is the refractive index jump between air and a dielectric material, for example, upon entry or exit of electromagnetic radiation into and out of an optical element.
  • the gap 5 may also be filled with another gas and it is also possible for a vacuum to prevail in the gap 5.
  • the capsules shown in FIG. 5 are provided with a capsule material 24; Capsule material 24 completely encapsulated and thus protected from external influences such as moisture.
  • this capsule material 24 does not constitute a coupling medium in the sense of the present invention as long as it has a thickness 241 above a main emission surface of the LED chips 21 which is less than or equal to 0.2 times a maximum lateral extent of the LED chips.
  • the longer of the two horizontal chip edge lengths corresponds to the lateral extent of the LED chip.
  • the maximum distance from mutually opposite, horizontally extending edges of the luminescence diode chips is to be selected as the maximum lateral extent of these.
  • the capsule material 24 is not to be understood as a coupling medium in the context of the present application, as long as the capsule material 24 substantially covers the LED chips, in particular their radiation outcoupling surfaces. It is particularly advantageous if the capsule material 24 is made as thin as possible, which is the case in particular is when the thickness 241 is less than or equal to 200 microns. In such conditions, the capsule material 24 is not a coupling medium in the sense of the present application.
  • the capsule material 24 is to be regarded as a coupling medium, with the result that the value for n is to be set equal to the refractive index of the capsule material 24.
  • the coupling medium consists, for example, of a coupling material, by means of which the LED chips 21 are optically coupled to a dielectric base body of the optical element 1.
  • the coupling material is, for example, a radiation-transmissive gel with a refractive index that is either of the refractive index of the dielectric body of the optical element 1 or of the refractive index of a
  • Semiconductor material of the LED chips 21 is adjusted or lies between the refractive indices of these two materials.
  • a gel for example, an epoxy resin or a paint-like material may be used.
  • the refractive index of the coupling material 6 is preferably between that of the dielectric body of the optical element 1 and a semiconductor material of the LED chips 21. It is essential that the refractive index is significantly greater than 1.
  • a coupling material is used for the coupling medium whose refractive index is greater than 1.3, preferably greater than 1.4.
  • silicones come into question. But they are Other substances such as liquids as a coupling medium possible.
  • water has a refractive index greater than about 1.3 and is basically suitable as a coupling medium.
  • the coupling medium 6 consists of coupling elements that are formed over the LED chips 21.
  • lens-like elements are applied to the main radiating surfaces of the LED chips 21, e.g. are formed from an epoxy resin or a silicone-containing material and by means of which the radiation extraction from the LED chips 21 and the radiation coupling of electromagnetic radiation is increased in the optical element 1.
  • the lenticular elements shown in FIG. 6 act with respect to influencing the etendue of the beam cone emitted by the luminescence diode chips, similar to the coupling material illustrated in FIG.
  • the lens-like elements represent a non-plane or uneven cover for the LED chips 21, which provides for increasing the etendue of the LED chips 21.
  • the magnification of the etendue is approximately the square of the refractive index of the lens-like elements.
  • the effect of the lens-like elements is comparable to that of the coupling material previously described with reference to FIG.
  • One difference, however, is that when using uneven covers, such as those shown in Figure 7 additional Fresnel losses occur when the radiation exits the uneven cover and the radiation enters the optical element.
  • the coupling medium 6 consists of a thin layer of adhesive, by means of which the LED chips 21 are attached directly to a light input of the optical element 1 and are optically coupled to the optical element 1, similar to that explained above with reference to FIG Exemplary embodiment.
  • the following table gives examples of determining the number N, x and y.
  • the light receiving area has in each case a maximum acceptance angle ⁇ of 12 °.
  • Thin-film LED chips with a maximum emission angle ⁇ of 90 ° and a square shape with a chip edge length of 1 mm are used.
  • the thin film layer has a thickness of 10 ⁇ m, so that its side surfaces give an area of 0.04 mm 2 .
  • the radiation decoupling area A 0 is set as 1.0 mm 2 in these examples.
  • the side surfaces of the thin film layer could be taken into account so that A 0 in the example would be 1.04 mm 2 . However, neglecting the side surfaces is preferred. "Qu.
  • N stands for the quotient (A M * sin 2 ( ⁇ )) / (A D * sin 2 ( ⁇ ) * n 2 )," Qu.x ⁇ stands for the quotient (1 M * sin ( ⁇ )) / (l D * sin ( ⁇ ) * n) and "Qu.y * stands for the quotient (b M * sin ( ⁇ )) / (b D * sin ( ⁇ ) * n).
  • Example 1 and 2 is a 0.5 inch light modulator, i. the cross section of the light receiving area misses 0.5 inches diagonally, with one inch equals 25.4 mm.
  • the width and the length of the cross section of the light receiving area have a ratio of 3: 4, in Example 2 a ratio of 9:16.
  • the number N of luminescence diode chips in Example 1 results in a possible value range of only 3.22 +/- 30%, taking into account the lengths and widths, a reasonable value for the number N 4 is expediently 2 for each of x and y chosen, ie For example, a two by two matrix of LED chips would be efficient in the meaning of the present invention.
  • Example 2 for N there is a possible value range of 2.86 +/- 30%, which allows even lower values for N. For example, here could be used a once three matrix of LED chips.
  • Each of Examples 3 to 6 is a 0.8-inch light modulator, wherein the width and the length of the cross-section of the light receiving area in Examples 3 and 4 have a ratio of 3: 4 to each other, in Example 5 and 6, a ratio from 9:16.
  • a particularly expedient optimization of the system can take place if the number N is specified and the size of the LED chip is calculated in accordance with the above relationships.
  • N For example, for a 0.5 inch light modulator with a width to length ratio of 3: 4 and a maximum acceptance angle of 12 ° and a predetermined number of 4 chips, a chip edge length of 1.06 mm and a chip edge width of 0.8 mm, ie Chips with a rectangular shape. With a given number N of 6 LED chips and a maximum acceptance angle of 15 °, such a light modulator results in e.g. a chip edge length of 1.0 mm and a chip edge width of 0.875 mm.
  • the light source illustrated in FIG. 10 comprises at least one luminescence diode chip 21 which is applied to a carrier 23.
  • the carrier 23 of the light source comprises a chip carrier 232 on which the LED chip 21 is mounted, e.g. by soldering.
  • the chip carrier is e.g. of an electrically insulating material, which preferably has a high thermal conductivity. It has, for example, silicon, aluminum nitride, silicon carbide, boron nitride, superficially oxidized silicon, diamond, plastic carbon fiber composite, glass-carbon fiber composite and / or glass-diamond particle composite.
  • the chip carrier 232 is applied to a thermally conductive substrate 231. This has, for example, an electrical E2006 / 000698
  • the heat-conductive substrate 231 serves as a heat sink for the heat generated by the LED chip 21 during its operation.
  • the chip carrier 232 consists of a good heat-conducting material and is preferably connected directly to the heat-conducting substrate 231.
  • metallizations are formed, by means of which e.g. Chip contacting surfaces and / or tracks are formed for contacting the LED chip 21.
  • An electrical terminal side of the LED chip 21 may be electrically conductively connected to the heat conductive wire 231 so that it additionally acts as an electrode.
  • the heat-conducting substrate is provided with an electrically insulating layer 239, on which in turn a thin layer of electrically conductive material is applied, which is patterned, for example, by etching into conductor tracks, see FIGS. 19, 20, 21.
  • the electrically insulating layer and the removed thin electrically conductive layer in a region in which the LED chips 21 are mounted with a chip carrier directly on the heat-conducting substrate.
  • the heat dissipation and the emission performance of the LED chips is thereby significantly increased.
  • an increase of emitted radiation intensity of 35% can be achieved.
  • a light source having such a structure is shown in FIGS. 19 to 21.
  • the light source comprises a DCB carrier (direct copper bonding).
  • This comprises a carrier core 233 which is provided with an electrically conductive sheath 234.
  • the shell 234 has, for example, copper or consists of this.
  • the carrier core 233 preferably consists of an electrically insulating material, so that the electrically conductive sheath can be structured and thereby formed into conductor tracks for the light source 2 or for the LED chips 21.
  • the carrier core 233 has, for example, at least one of the materials AlN, Al 2 O 3, SiC, BN, diamond, glass fiber composite, plastic fiber composite, carbon fiber composite, glass-diamond composite or consists of at least one of these materials.
  • Particularly preferred materials for the carrier core 233 are aluminum nitride and / or alumina.
  • the light source 2 is formed as a light source module having a mating connector 25, so that the light source 2 can be electrically connected by means of a corresponding connector in a simple manner.
  • the carrier 23 of the light source is designed, for example, as previously described with reference to FIG.
  • the wrapping material 234 is formed into electrical conductor tracks 26, by means of which the Lumineszenzdioden ⁇ hips are electrically connected to the mating connector 25.
  • the electrical circuit of the light source 2 also includes components 27 that provide protection against electrostatic discharge of the LED chips (ESD protection). It These components 27 are, for example, varistors, capacitors or diodes. They are, for example, connected in parallel or antiparallel to the luminescence diode chips (with respect to a possible forward direction of the component, eg the diodes).
  • the carrier 23 of the light source 2 also includes mounting holes 28, by means of which the light source module can be mechanically mounted in a technically simple manner, for example using dowel pins and corresponding fixing elements.
  • the optical elements 1 are disposed above the LED chips, which are formed integrally with each other, for example.
  • the optical elements 1 have a CPC-like design and have a main body 11 which defines a separate cavity for each optical element 1 and whose inner walls are reflective of the radiation emitted by the light source.
  • Each luminescence diode chip of the light source 2 is assigned, for example, to a single optical element 1.
  • a radiation input of the optical elements facing the LED chips has a radiation input aperture whose sides are e.g. ⁇ 1.5 times a corresponding horizontal edge length of the LED chips, preferably ⁇ 1.25 times this edge length. If one arranges such a small radiation input as close as possible to the luminescence diode chip, one can effectively reduce a divergence of the radiation emitted by the luminescence diode chips and generate a beam cone with a high luminance.
  • the optical element 1 instead of assigning each luminescence diode chip a single own optical element 1, the optical element 1 also be provided for a plurality of LED chips 21, as the optical element 1 shown in Figure 1. This is also formed in the manner of a CPC and has a base body 11 which defines a cavity with reflective inner walls. The optical element 1 is provided, for example, for six LED chips 21.
  • the LED chips 21 should be arranged as close to each other as possible.
  • Adjacent LED chips 21 have, for example, a distance of ⁇ 50 ⁇ m from each other. Particularly preferably, adjacent LED chips have substantially no distance from each other.
  • the radiation input and the radiation output of the optical element 1 each have a rectangular shape.
  • the radiation input may also have a substantially square cross-section. If one wants to achieve an equal reduction in divergence with such an optical element provided for a plurality of LED chips, as with a plurality of optical elements each associated with a single chip, then this must have a significantly greater length than the majority optical elements.
  • the minimum length 1 is the minimum length of the optical element 1.
  • the length of the optical element 1 must be about nine times the length of the beam input.
  • this factor is about 23, and for an opening angle of 20 °, 5, 5 times the length is needed.
  • the minimum length 1 can alternatively also be regarded as an optimum length, whereby it may in particular also be possible to fall short of this, for example by up to 10% or by up to 20%.
  • the optical element 1 The smaller a light input of the optical element 1, the smaller the length of the optical element along its optical axis can be to achieve a certain maximum radiation angle for the emitted light cone.
  • the optical element is provided for a plurality of LED chips, that is, if it has a correspondingly larger beam input, mounting of the optical element relative to the LED chips is less critical.
  • at least two optical elements are provided per light source, to each of which a plurality of light-emitting diode chips are assigned.
  • the optical element preferably has a substantially rectangular cross-section on the side of the radiation output.
  • a cross section of the light cone in the optical element can be shaped in such a way that it is at least partially adapted to the cross section of the light receiving region of the light modulator.
  • the optical element has, according to one exemplary embodiment, a radiation input with a square cross-section. This is provided for a square arrangement of LED chips 23, as shown for example in each case in Figures 24 to 27 with 2 times 2 LED chips.
  • the cross section of the radiation input may alternatively also be rectangular, for example.
  • the optical element has along a first plane a first maximum radiation angle of, for example, 11.5 ° and along a second plane a second maximum radiation angle of, for example, 15.5 °.
  • the square cross section on the side of the radiation input in the course of the beam exit for example, in a rectangular cross section, which has an extension of e.g. 10 times 7.5 mm.
  • a first pair of opposing reflective surfaces of the optical element has a steeper course than a second pair of opposing reflective surfaces.
  • the optical element 1 shown in Fig. 16 or the Fig. 33B is formed in such a manner.
  • the optical element 1 has sidewalls extending in straight lines from the beam entrance to the beam exit. Examples of such optical elements 1 are shown in FIGS. 15, 28, 33c and 34d. It is either a dielectric concentrator with a frustoconical basic shape or a concentrator with a base body 11 which defines a corresponding cavity. In such concentrators, the radiation output is preferably provided with a spherical or aspherical lens or curved in the manner of such a lens to the outside.
  • the advantage of an aspheric curvature compared to a spherical curvature is that the aspheric curvature decreases, for example, with increasing distance from the optical axis of the optical element 1. This takes into account the fact that the cone of rays whose divergence is to be reduced by the optical element 1 is not a point-shaped light radiation source but a radiation source with a certain extent.
  • Such an optical element has the advantage compared with a CPC-like optical element that it can be used to achieve a comparable reduction in the divergence of a beam cone while at the same time significantly reducing the overall height of the optical element 1.
  • Another advantage of such optical elements is that their straight side surfaces can be more easily manufactured by means of a spraying process such as injection molding or transfer molding, while the formation of curved side surfaces is comparatively difficult as with CPC-type concentrators.
  • the optical element 1 is formed as a cavity reflector with a base body 11
  • Embodiments in which the optical element is designed as a cavity reflector are shown in FIGS. 12, 13, 33b, 34b and 34c.
  • optical element 1 when the optical element 1 is formed in the manner of a dielectric concentrator, additional fixing devices are usually required to position the optical element 1 on the light source 2 or relative to the light source 2. Examples of optical elements formed in the nature of a dielectric concentrator are shown in Figs. 14-17, 23, 28, 33a, 33c, 34a, and 34d.
  • the optical elements shown in FIGS. 23, 28 and 14 to 16 have holding elements 12 which extend in the vicinity of the beam exit of the optical element (s) 1 away from the dielectric base body 13 and protrude laterally therefrom and in one Distance from the Grundk ⁇ rper 13 in the direction of the radiation input.
  • the holding elements 12 may, for example, comprise columnar elements on which the optical elements can be placed and thus positioned relative to the light source 2, see for example FIGS. 15 and 16.
  • the holding elements 12 may also have wall-like supports which at least partly surround the optical elements enclose laterally, see for example Figures 14 and 23.
  • the optical elements 1 can also be provided by means of separate holding devices be mounted and positioned. For example, they can be put in a separate frame.
  • the luminescence diode chips are mounted, for example, in chip packages 235, as illustrated by way of example in FIGS. 29 to 32.
  • the chip packages 235 are mounted, for example, on the carrier 23 and the light source 2 or they themselves already form a light source 2, which can be contacted in an electrically conductive manner and emits an electromagnetic radiation during operation. Examples of light sources 2 in which one or more chip packages 235 are mounted on the carrier 23 are shown in FIGS. 18 to 28.
  • the chip housing 235 comprises a chip carrier 232 and a housing frame 236.
  • the chip carrier 232 has metallizations which form at least one, preferably a plurality of chip connection regions 237 and electrical interconnects 238.
  • On two opposite sides of the chip carrier 232 is free of frame material, so that the conductor tracks 238 are accessible at these locations and thus electrically conductive contacted.
  • the chip package 235 is formed either monolithically, so that the package frame 236 and the chip carrier 232 are formed into a one-piece part. This is possible, for example, with the use of a ceramic as a material for the chip package, when the frame 236 is placed on the chip carrier 232, even before the ceramic material is fired and thus cured. During the subsequent firing process, the frame 236 and the chip carrier 232 connect to a common part. This can be supported by pressing together the two parts in the unfired state. Alternatively, the chip carrier 232 and the frame 236 are each formed separately. The housing frame 236 is glued in this case, for example, on the chip carrier 232.
  • the chip carrier 232 and / or the housing frame 236 comprise, for example, aluminum nitride, aluminum oxide, glass ceramic, glass and / or metal.
  • the frame may be made of a plastic or have such a plastic, which has a similar thermal expansion coefficient as a material of the chip carrier 232 and is preferably coated with a highly reflective material.
  • the frame is preferably colored white or coated with a white or other reflective material.
  • the chip contacting regions 237 and the conductor tracks 238 are formed, for example, from metal coatings, for example from gold coatings. This is the case, for example, in the chip packages shown in FIGS. 29 and 32.
  • the chip package 235 shown in FIG. 30 has chip contacting regions 237 formed of a solder.
  • the chip contacting regions are each defined by a plurality of small solder bumps.
  • the conductor tracks 238 have, for example, aluminum or consist of this. This has the advantage that aluminum acts as a solder stop for the solder of the chip contacting regions 237.
  • the chip housing 235 shown in FIG. 31 has conductor tracks 238 with sections which are formed from different materials.
  • First sections For example, aluminum, which may act as a solder stop, and second portions 2382 comprise another metal, such as gold.
  • the solder stop can prevent solder, which is provided for a mounting of LED chips, wets the conductor tracks and thereby damaged or dissolves, for example, gold contacts.
  • the housing frame is suitable for providing the luminescence diode chips mounted in the chip housing 235 with a potting compound.
  • the interior of the chip frame for example, at least partially filled with a potting compound.
  • the potting compound serves to encapsulate the LED chips 21 and thus to protect against external influences.
  • the mass can also serve as matrix material for one or more phosphors, so that the potting compound forms a luminescence conversion element.
  • the luminescence conversion element is applied in a thin layer directly on the radiation coupling-out surface of the luminescence diode chip.
  • different LED chips of a light source are provided with different Lumineszenzkonversions instituten, that is, the luminescence conversion elements have different phosphors or phosphor mixtures.
  • the luminescence conversion elements have different phosphors or phosphor mixtures.
  • one is provided with a blue-emitting phosphor, one with a red-emitting phosphor and two with a green emitting phosphor, and the green-emitting phosphor may be the same.
  • a blue-emitting phosphor it is also possible to use a blue-emitting light-emitting diode which is not provided with a luminescence conversion material.
  • luminescence diode chips which emit electromagnetic radiation whose wavelengths lie at least partially outside the visible spectrum.
  • the LED chips based on AlInGaN and emit in their operation electromagnetic radiation from the ultraviolet range.
  • Suitable for the luminescence conversion elements are all known for use in LEDs converter. Examples of such suitable as a converter phosphors and phosphor mixtures are:
  • Chlorosilicates as disclosed, for example, in DE 10036940 and the prior art described therein,
  • Nitrides, sions and sialons as disclosed, for example, in DE 10147040 and the prior art described therein, and
  • the light sources 2 illustrated in FIGS. 22a to 23 have, for example, luminescence diode chips 21 which are cast in the manner described above.
  • the housing frame of the chip housing 235 shown in these figures have a recess formed in such a way that they serve as an adjustment aid for adjusting the optical elements 1 via the LED chips 21.
  • the recess of the chip frame has a square or rectangular basic shape, wherein the corners of the square or the rectangle is superimposed with a round, for example circular shape, so that edges of the optical elements 1 can be introduced into the housing frame in a technically simple manner and thereby the round extensions of the recesses are guided.
  • the optical element 1 can also be designed as a light guide with a constant cross-sectional area, as shown in FIG. 38, or with a cross-sectional area which increases toward the light exit, as shown in FIG.
  • the light guide is used for mixing light of the light source 2 and leads to a homogeneous illuminated light cone, in particular if the light source has different colored light emitting LED chips 21 and / or light of different color emitting luminescence conversion elements.
  • the light guide has, for example, a cross section in the form of an even polygon. In particular, it has a straight partial surface which extends from a light entrance to a light exit.
  • a light guide may also be provided with holding elements 12, which extend laterally away from the base body on the side of the light exit and extend in a support-like configuration in the direction of the light input at a distance from the base body.
  • the base body and the retaining elements 12 are preferably formed from one and the same material and particularly preferably one-story.
  • FIG. 40 illustrates how influence the holding elements 12 have on the radiation emissions from the light guide.
  • the luminous intensity distribution is plotted as a function of the distance to the optical axis of the light guide, the solid line representing a measurement of the radiation intensity in a light path behind the light guide without holding elements, as shown for example in FIG. 37, and the dashed line a measurement of the luminance when using a light guide with holding elements 12 as shown in Figure 39, reproduces.
  • the curves show no significant influence of the holding elements 12 on the radiation extraction from the optical fiber used for mixing.
  • FIG. 35 A mixer with holding elements is also shown in FIG.
  • the light guide 1 has a cube-like shape.
  • holding elements in the vicinity of the light input extend from the Body of the light guide away, in contrast to the previously discussed examples.
  • the light sources 2 illustrated in FIGS. 14 to 16, 18, 19, 28, 33c and 36 have mating connectors 25 for electrically connecting the light sources by means of a corresponding plug
  • the light sources 2 illustrated in FIGS. 20 and 21 instead comprise a plurality of electrical contact pins 29, however, are also suitable for electrically connecting the light source 2 with one or more corresponding plugs.
  • FIGS. 22a to 23 and 35 Another variant is shown in FIGS. 22a to 23 and 35.
  • the light sources 2 illustrated in these figures provision is made for them to be connected in an electrically conductive manner via electrical contact surfaces 291. This is done for example by means of soldering.
  • the various features and elements described in this application are not limited to use in a projection device, although they synergize in particular in a projection device.
  • Each of the various features and elements may constitute its own invention and may be suitable for uses in various other fields.
  • the light sources 2 can also be used for headlight applications or for general lighting.
  • the optical elements can already be their own invention and used for various purposes. The same applies to the arrangement and use of Lumineszenzkonversions instituten or the structure of the support for the light sources, for the chip package, the arrangement of Luminescence diode chips in the light source or the arrangement of the optical elements.

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Abstract

Eine Projektionseinrichtung mit einem Lichtmodulator, der einen Lichtempfangsbereich mit einer auszuleuchtenden Querschnittsfläche der Größe AM und einem maximalen Akzeptanzwinkel für einfallendes Licht aufweist, und mindestens einer Lichtquelle, mittels der bei ihrem Betrieb ein Lichtkegel zum Ausleuchten der Querschnittsfläche des Lichtempfangsbereichs erzeugt wird und die eine Anzahl N von Lumineszenzdiodenchips mit einem maximalen Abstrahlwinkel β aufweist, wird angegeben. Mindestens einer der Lumineszenzdiodenchips weist eine Strahlungsauskoppelfläche der Größe AD auf. Es gilt die Beziehung 0,7*(AM * sin2(α))/(AD * sin2(β) * n2) ≤ N ≤ 1,3*(AM * sin2(α))/(AD * sin2(β) * n2), wobei n gleich 1 oder gleich dem Brechungsindex eines Koppelmediums ist, mit dem die Lumineszenzdiodenchips versehen sind.

Description

Beschreibung
Proj ektionseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionseinrichtung mit einem Lichtmodulator und mindestens einer Lichtquelle, die Lumineszenzdiodenchips aufweist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 10 2005 022 357.5 und 10 2005 031 336.1, deren jeweiliger Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bei Projektionseinrichtungen ist insbesondere die Helligkeit eines projizierten Bildes von Bedeutung. Um eine möglichst große Helligkeit zu erzeugen, werden Lichtquellen für Projektionseinrichtungen der eingangs genannten Art bislang üblicherweise mit einer möglichst großen Anzahl von Lumineszenzdiodenchips bestückt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionseinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die, verglichen mit herkömmlichen Projektionseinrichtungen, hinsichtlich der Erzeugung einer Leuchtstärke eine erhöhte Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Projektionseinrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. gemäß Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche . Die Anzahl N der Lumineszenzdiodenchips wird unter Berücksichtigung von Eigenschaften des Lichtmodulators ausgewählt. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass eine optimale Effizienz bezüglich der Erzeugung einer hohen Leuchtdichte in einer Projektionseinrichtung nur mit einer, im Vergleich zu herkömmlichen Projektionseinrichtungen, relativ geringen Anzahl von Lumineszenzdiodenchips möglich ist.
Bei der Ermittlung der optimierten Anzahl N von Lumineszenzdiodenchips wird unter anderem die Größe A^ einer auszuleuchtenden Querschnittsfläche eines Lichtempfangs- bereichs des Lichtmodulators sowie ein maximaler Akzeptanzwinkel α dieses Lichtempfangsbereichs für einfallendes Licht berücksichtigt. Der maximale Akzeptanzwinkel α des Lichtempfangsbereichs ist der maximale für den Lichtmodulator vorgesehene Einfallswinkel für auf den Lichtmodulator einfallendes Licht.
Bei der Bestimmung der Anzahl N von Lumineszenzdiodenchips wird zudem die Größe A-Q einer Strahlungsauskoppelfläche der Lumineszenzdiodenchips sowie ein maximaler Abstrahlwinkel ß von diesen berücksichtigt. Es ist alternativ auch möglich, die Strahlungsauskoppelfläche A^ und den maximalen Abstrahlwinkel J3 von nur einem der Lumineszenzdiodenchips zu verwenden, d.h. mindestens ein Lumineszenzdiodenchip weist eine Strahlungsauskoppelfläche der Größe Aj) auf. Die Strahlungsauskoppelfläche eines Lumineszenzdiodenchips ist diejenige Außenfläche, über die elektromagnetische Strahlung aus dem Lumineszenzdiodenchip ausgekoppelt wird. Der maximale Abstrahlwinkel p wird gegenüber einer Hauptabstrahlrichtung des Lumineszenzdiodenchips gemessen und ist derjenige Winkel, unter dem noch eine signifikante Intensität von elektromagnetischer Strahlung aus dem Lumineszenzdiodenchip ausgekoppelt wird.
Bei der Projektionseinrichtung ist in einem Lichtweg zwischen den Lumineszenzdiodenchips und dem Lichtmodulator mindestens ein optisches Element angeordnet.
Für die Anzahl N der Lumineszenzdiodenchips gilt
0,7 * (AM * sin2 (α) ) / (A.D * sin.2 (ß) * n2) ≤ N ≤ 1,3 * (AM * sin2 (α) ) /(A0 * sin2 (ß) * n2) ,
wobei der Wert für n davon abhängt, inwieweit eine Auskopplung von Strahlung aus den Lumineszenzdiodenchips durch zusätzliche Mittel beeinflusst ist. Mit anderen Worten sind mögliche Werte für die Anzahl N der Lumineszenz- diodenchips anhand des Quotienten aus (Aj/[ * sin2 (α) und (A^ * sin2 (ß) * n2) bestimmt und überschreiten oder unterschreiten diesen Quotienten um maximal 30 %. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist n = 1. Alternativ ist n gleich dem Brechungsindex eines Materials eines Koppelmediums, mit dem die Strahlungsauskoppelfläche der Lumineszenzdiodenchips versehen ist, was nachfolgend ausführlicher erläutert ist.
Gemäß einer Ausführungsform besteht in dem Lichtweg zwischen den Lumineszenzdiodenchips und dem optischen Element ein Spalt, der mit einem Gas gefüllt ist. Zudem ist die Strahlungsauskoppelfläche Ap der Lumineszenzdiodenchips frei von einem Koppelmedium. In diesem Fall ist n = 1.
Unter einem Koppelmedium ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Medium zu verstehen, mittels dem die Strahlungsauskopplung aus den Lumineszenzdiodenchips, T/DE2006/000698
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verglichen mit bloßen Lumineszenzdiodenchips, signifikant beeinflusst wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Strahlungsauskoppelfläche AQ der Lumineszenzdiodenchips frei von Kapselmaterial wie beispielsweise einer Vergussmasse ist. Unter einem Kapselmaterial ist ein Material zu verstehen, das geeignet ist, Lumineszenzdiodenchips auf an sich bekannte Weise einzukapseln oder zu umhüllen, so dass sie vor äußeren Einflüssen geschützt sind.
Die Lumineszenzdiodenchips sind auch dann frei von einem Koppelmedium, wenn die Strahlungsauskoppelfläche A^ derart mit einem Kapselmaterial versehen ist, das die Strahlungsauskopplung aus den Lumineszenzdiodenchips durch das kapselmaterial lediglich in einem zu vernachlässigenden Maße beeinflusst wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Kapselmaterial auf der Strahlungsauskoppelfläche Ap eine Dicke aufweist, die kleiner als oder gleich 0,2 mal eines maximalen Abstandes einander gegenüber liegender Chipkanten der Lumineszenzdiodenchips ist. Bei Lumineszenzdiodenchips mit einer quadratischen Grundform ist der maximale laterale Abstand gleich der Chipkantenlänge. Bei Lumineszenzdiodenchips mit einer rechteckförmigen Grundform entspricht der Ausdruck der Länge der längeren Chipkanten. Allgemein entspricht die maximale laterale Ausdehnung im Sinne der vorliegenden Erfindung dem größten Abstand von einander gegenüberliegenden Chipkanten. Insbesondere ein im wesentlichen als plane Schicht aufgebrachtes Kapselmaterial mit einem Brechungsindex von größer als 1 ist unter den obigen Voraussetzungen nicht als ein Koppelmedium im Sinne der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Ebenso ist Luft grundsätzlich nicht als ein Koppelmedium zu verstehen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Strahlungsauskoppelflache A^ der Lumineszenzdiodenchips mit einem Koppelmedium versehen. Bei einer Projektionseinrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist n gleich dem Brechungsindex des Koppelmaterials.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Lumineszenzdiodenchips mittels eines Koppelmaterials optisch an das optische Element angekoppelt sind oder wenn die Strahlungsauskoppelfläche A^ derart mit einem Koppelmaterial versehen ist, dass die Strahlungsauskopplung aus den Lumineszenzdiodenchips signifikant beeinflusst, insbesondere signifikant erhöht wird.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass eine derartige signifikante Beeinflussung der Strahlungsauskopplung auch dann bewirkt ist, wenn die Strahlungsauskoppelfläche Ap der Lumineszenzdiodenchips mit einem Koppelmaterial versehen ist, das eine Dicke von größer als 0,2 mal einem maximalen Abstand von einander gegenüber liegender Chipkanten aufweist. Das Koppelmaterial kann beispielsweise auch ein Kapselmaterial sein.
Die Lumineszenzdiodenchips weisen bevorzugt eine Dünnfilmschicht mit einer elektromagnetischen Strahlung emittierenden aktiven Zone auf, die im wesentlichen frei von einem AufwachsSubstrat ist und auf einer von einer Hauptabstrahlfläche abgewandten Seite mit einem Reflektor versehen ist. Dies sind wesentliche Eigenschaften von sogenannten Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchips, die besonders bevorzugt in der Projektionseinrichtung enthalten sind. Ein Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus :
- an einer zu einem Trägerelement hingewandten ersten Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugte elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert,
- die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm oder weniger auf , und
- die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, das heißt sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Letter. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174-2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchip ist in guter Näherung ein lambert' scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut für die Anwendung in der Lichtquelle für die Projektionseinrichtung. Für Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchips wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein maximaler Abstrahlwinkel ß von 90° angenommen. Bei Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchips ist der Anteil der über die Seitenflächen der Dünnfilmschicht emittierten Strahlung oft vernachlässigbar klein, sie beträgt z.B. oft weniger als 1 % der gesamten Emission, weshalb der Anteil dieser Seitenflächen an der Strahlungsauskoppelfläche AD bei Dünnfilm- Lumineszenzdiodenchips auch vernachlässigt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Projektionseinrichtung sind die Lumineszenzdiodenchips in einer Matrix mit x-Zeilen und y-Spalten angeordnet, wobei mögliche Werte für die Anzahl x anhand des Quotienten aus (1^ * sin(α) ) und (IQ * sin(J3) * n) und mögliche Werte für die Anzahl y anhand des Quotienten aus (bj/j * sin(α)) und (b^ * sin(j3) * n) bestimmt sind und diese Werte den entsprechenden Quotienten um maximal 30 % überschreiten oder unterschreiten. Hierbei bezeichnet I^ eine Länge und by[ eine Breite der Querschnittsfläche A^ des Lichtempfangsbereichs des Lichtmodulators und 1-Q beziehungsweise bj} bezeichnen eine Länge beziehungsweise eine Breite der Hauptabstrahlfläche der Dünnfilmschicht der Lumineszenzdiodenchips oder eines Lumineszenzdiodenchips .
Durch diese Ermittlung geeigneter Werte für die Zeilen und Spalten der Matrix wird die Anordnung der Lumineszenzdiodenchips an die Form des Lichtempfangsbereichs angepasst, wodurch ein von den Lumineszenzdiodenchips erzeugtes Licht noch effektiver genutzt werden kann.
Mögliche Werte für die Anzahl N beziehungsweise für die Anzahl x oder y sind besonders bevorzugt gleich dem auf eine angrenzende ganze Zahl auf- oder abgerundeten entsprechenden Wert des Quotienten. Dadurch kann eine möglichst effiziente Ausnutzung des von den Lumineszenzdiodenchips erzeugten Lichts erreicht werden. Alternativ zu einer Ermittlung der Anzahl N ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung immer auch möglich, eine bestimmte Anzahl N für die Lumineszenzdiodenchips vorzugeben und die Größe der Lumineszenzdiodenchips beziehungsweise deren Strahlungsauskoppelfläche A^ oder ihrer Längen und Breiten an einen anhand der obigen Formel ermittelten Wert anzupassen. Es gilt dann z.B. für die Strahlungsauskoppelfläche entsprechend
0,7 * (AM * sin2 (α) ) / (N * sin2(j3) * n2) ≤ AD ≤ 1, 3 * (AM * sin2 (α) ) / (N * sin2 (j3) * n2).
Selbstverständlich können alle anderen in der Formel enthaltenen Größen entsprechend ermittelt werden, wenn die jeweil übrigen Größen vorgegeben sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mögliche Werte für die Anzahl N beziehungsweise für die Anzahl x oder y gleich dem auf eine angrenzende gerade Zahl auf- oder abgerundeten entsprechenden Quotienten. Eine gerade Anzahl N kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Lumineszenzdiodenchips in einer geraden Anzahl von Gruppen angeordnet sind. Mit Vorteil ist in so einem Fall jeder Gruppe von Lumineszenzdiodenchips ein eigenes optisches Element nachgeordnet .
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist eine Hauptabstrahlfläche der Lumineszenzdiodenchips eine im wesentlichen rechteckige Form auf . Dadurch kann die Form der Lumineszenzdiodenchips und/oder der Strahlungsauskoppelfläche &£, der Lumineszenzdiodenchips besser an die Form beziehungsweise die Kontur des Lichtempfangsbereichs des Lichtmodulators angepasst werden. Auch dies ist einer Verbesserung der Ausnutzung des von der Lichtquelle emittierten Lichts zuträglich.
Bevorzugt ist mehreren Lumineszenzdiodenchips gemeinsam ein optisches Element zugeordnet. Dies hat beispielsweise den Vorteil einer vereinfachten Montage, verglichen mit dem Fall, dass jedem Lumineszenzdiodenchip ein eigenes optisches Element zugeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ sind die Lumineszenzdiodenchips in mindestens zwei Gruppen unterteilt, denen jeweils ein eigenes optisches Element zugeordnet ist.
Zumindest einem Teil der Lumineszenzdiodenchips ist zweckmäßigerweise jeweils ein Lumineszenzkonversionselement nachgeordnet, mittels dem eine von den Lumineszenzdiodenchips emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung mit veränderter Wellenlänge umgewandelt wird. Mit einem Lumineszenzkonversionselement lässt sich insbesondere weißes Licht erzeugen, beispielsweise wenn ein blau emittierender Lumineszenzdiodenchip mit einem gelb emittierenden Leuchtstoff kombiniert wird.
Alternativ sind verschiedenen Lumineszenzdiodenchips mit Vorteil unterschiedliche Lumineszenzkonversionsmaterialien nachgeordnet, die bevorzugt Licht unterschiedlicher Farben oder aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren.
Besonders bevorzugt weist jedes dieser Lumineszenzkonversionsmaterialien einen einzigen Leuchtstoff auf. Verglichen mit einer Verwendung eines einzigen Lumineszenzkonversionsmaterials, in dem mehrere Leuchtstoffe miteinander gemischt sind, kann so eine höhere Effizienz bei der Konversion elektromagnetischer Strahlung erzielt werden, da bei der Verwendung mehrerer Leuchtstoffe Licht, das von einem ersten Leuchtstoff emittiert wird, von einem zweiten Leuchtstoff reabsorbiert werden kann. Andererseits kann man mit der Verwendung von Leuchtstoffen zur Erzeugung farbigen Lichts generell ein breiteres Emissionsspektrum als nur mit Lumineszenzdiodenchips erzielen. Insgesamt lässt sich mit diesem Ansatz Licht mit einer verbesserten Farbwiedergabe erzielen.
Das optische Element ist bevorzugt in der Art eines nicht- abbildenden optischen Konzentrators ausgebildet, der, verglichen mit einer üblichen Verwendung eines Konzentrators, für eine Durchstrahlung in umgekehrter Richtung vorgesehen ist. Durch die Verwendung mindestens eines derartigen optischen Elementes kann die Divergenz des von der Lichtquelle emittierten Lichts mit Vorteil auf effiziente Weise verringert werden.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Lichteingang des optischen Konzentrators möglichst nahe an den Lumineszenzdiodenchips positioniert ist. Zweckmäßigerweise wird der Raumwinkel, in dem das Licht aus dem optischen Element emittiert wird, mittels des optischen Elementes möglichst nah an den Lumineszenzdiodenchips verkleinert, wo eine Querschnittsfläche des Strahlenkegels noch klein ist. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn eine möglichst hohe Strahlungsstärke auf eine möglichst kleine Fläche projiziert werden soll, wie das bei Projektionseinrichtungen der Fall ist.
Eine wichtige Erhaltungsgroße in der geometrischen Optik ist dabei das Etendue, das heißt der Lichtleitwert. Sie ist das Produkt aus dem Flächeninhalt einer Lichtquelle und dem Raumwinkel, in den sie abstrahlt. Das Etendue beschreibt die Ausdehnung eines Lichtkegels beliebiger Intensität. Die Erhaltung des Etendue hat unter anderem zur Konsequenz, dass man das Licht einer diffusen Strahlungsquelle, zum Beispiel eines Lumineszenzdiodenchips, nicht mehr konzentrieren, das heißt nicht mehr auf eine Fläche mit kleinerer Ausdehnung umlenken kann, ohne Verluste in Kauf zu nehmen, weshalb es vorteilhaft ist, wenn das Lichtbündel mit einem möglichst kleinen Querschnitt in das optische Element eintritt .
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird das Licht mittels des optischen Elementes derart stark kollimiert, das heißt die Divergenz des Lichtes wird derart stark verringert, dass es aus dem optischen Element in einem Strahlenkegel mit einem Öffnungswinkel emittiert wird, der kleiner als oder gleich dem maximalen Akzeptanzwinkel α des Lichtempfangsbereichs des Lichtmodulators ist.
Der Öffnungswinkel des Strahlenkegels ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kleiner als oder gleich 25°, bevorzugt kleiner als oder gleich 20°, besonders bevorzugt kleiner als oder gleich 15°.
Der optische Konzentrator ist mit Vorteil ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator, womit hierbei sowie im Folgenden ein Konzentrator gemeint ist, dessen reflektierende Seitenwände zumindest teilweise und/oder zumindest weiterstgehend die Form eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators (Compound Parabolic Concentrator, CPC) , eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators (Compound Elliptic Concentrator, CEC) und/oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (Compound Hyperbolic Concentrator, CHC) aufweist. Mit besonderem Vorteil sind die reflektierenden Flächen des optischen Elements teilweise oder vollständig als Freiformflächen ausgebildet, um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik optimal einzustellen. In seiner Grundform ähnelt das optische Element dabei bevorzugt einem CPC, einem CEC oder einem CHC.
Alternativ weist der Konzentrator mit Vorteil Seitenwände auf, die einen Strahlungseingang mit einem Strahlungsausgang verbinden und die derart ausgebildet sind, dass auf den Seitenwänden verlaufende direkte Verbindungslinien zwischen dem Strahlungseingang und dem Strahlungsausgang im wesentlichen gerade verlaufen.
Dabei weist das optische Element zweckmäßigerweise einen Grundkörper auf, der einen Hohlraum definiert und dessen Innenwand zumindest für einen spektralen Teilbereich des von der Lichtquelle emittierten Lichts reflektierend ist.
Alternativ ist das optische Element mit Vorteil in der Art eines dielektrischen Konzentrators ausgebildet und weist einen Grundkörper in Form eines Vollkörpers mit einem dielektrischen Material von geeignetem Brechungsindex auf, so dass in das optische Element eingekoppeltes Licht durch Totalreflektion an seitlichen Grenzflächen des Vollkörpers zum umgebenden Medium reflektiert wird. Durch die Ausnutzung der Totalreflektion kann eine Absorption des Lichts bei dessen Reflektion weitestgehend vermieden werden.
Mit Vorteil weist das optische Element einen Strahlungsausgang mit einer linsenartig gewölbten Grenzfläche auf. Dadurch lässt sich eine weitergehende Verringerung der Divergenz des Lichts erzielen.
Als Alternative zu einem optischen Konzentrator ist das optische Element mit Vorteil als ein Lichtleiter mit konstanter Querschnittsfläche oder mit einer sich zum Lichtausgang hin vergrößernden Querschnittsfläche zum Mischen von Licht ausgebildet. Die Querschnittsfläche des optischen Elements weist bevorzugt die Form eines geradzahligen Vieleckes auf . Seine Außenflächen sind zweckmäßigerweise gerade ausgeführt und weisen ebene Teilflächen auf, wodurch eine gute Mischung des Lichts gewährleistet werden kann. Eine derartige Ausführung des optischen Elementes ist insbesondere von Vorteil, wenn unterschiedlich farbiges Licht in das optische Element eingekoppelt wird, das zu weißem Licht gemischt werden soll.
Alternativ ist ein derartiger Lichtleiter zum Mischen von Licht dem optischen Element der Projektionseinrichtung im Strahlengang nachgeordnet.
Zweckmäßigerweise ist ein Teil benachbarter Lumineszenzdiodenchips oder sind alle benachbarten Lumineszenzdioden mit einem möglichst geringen Abstand zueinander angeordnet. Der Abstand beträgt bevorzugt weniger als oder gleich 300 μm, besonders bevorzugt weniger als oder gleich 100 μm und ist größer als oder gleich 0 μm. Diese Maßnahme ist für das Erzielen einer möglichst hohen Strahldichte in der Projektionseinrichtung von Vorteil.
Das optische Element weist auf Seite eines Strahlenausgangs bevorzugt einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf . Dadurch kann ein Querschnitt des Lichtkegels in dem optischen Element derart geformt werden, dass er zumindest teilweise an den Querschnitt des Lichtempfangsbereichs des Lichtmodulators angepasst wird.
Zusätzlich oder alternativ weist das optische Element entlang einer ersten Ebene einen ersten maximalen Abstrahlwinkel und entlang einer zweiten Ebene einen zweiten maximalen Abstrahlwinkel auf, der sich von dem ersten maximalen Abstrahlwinkel unterscheidet. Mit anderen Worten ist das optische Element derart ausgebildet, dass durch einen Strahleneingang eingestrahltes Licht entlang der ersten Ebene unter dem ersten maximalen Winkel und entlang der zweiten Ebene unter dem zweiten maximalen Winkel aus dem optischen Element emittiert wird. Die erste und die zweite Ebene verlaufen insbesondere parallel zu einer Hauptabstrahl- richtung des optischen Elements. Bevorzugt sind die erste und die zweite Ebene senkrecht zueinander angeordnet. Auch diese Maßnahme kann zum Erreichen einer Anpassung des Lichtkegels an den Lichtmodulator vorteilhaft sein.
Der erste maximale Abstrahlwinkel beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 10° und einschließlich 13° und der zweite maximale Abstrahlwinkel bevorzugt zwischen einschließlich 13° und einschließlich 18°.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Projektionseinrichtung sowie ihrer Bestandteile ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 40 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen: Figur l einen schematischen Aufbau der
Projektionseinrichtung in einer Schnittansicht gemäß eines Ausführungsbeispiels,
Figur 2 den Lichtmodulator der in Figur 1 dargestellten Projektionseinrichtung in einer schematischen Draufsicht auf dessen Lichtempfangsbereich,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines Lumineszenzdiodenchips ,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht der Lichtquelle und eines Teils des optischen Elements gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 5 eine schematische Schnittansicht der Lichtquelle und eines Teils des optischen Elements gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 6 eine schematische Schnittansicht der Lichtquelle und eines Teils des optischen Elements gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
Figur 7 eine schematische Schnittansicht der Lichtquelle und eines Teils des optischen Elements gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
Figur 8 eine schematische Schnittansicht der Lichtquelle und eines Teils des optischen Elements gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels, Figur 9 eine schematische Draufsicht auf einen Anordnung von Lumineszenzdiodenchips der Lichtquelle gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 10 eine schematische Schnittansicht der Lichtquelle gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 11 eine schematische Schnittansicht der Lichtquelle gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
Figur 12 eine schematische perspektivische Darstellung einer Lichtquelle gemäß eines vierten
Ausführungsbeispiels und optischer Elemente gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 13 eine schematische perspektivische Darstellung eines optischen Elements gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 14 eine schematische perspektivische Darstellung einer Lichtquelle gemäß eines fünften
Ausführungsbeispiels und optischer Elemente gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
Figur 15 eine schematische perspektivische Darstellung einer Lichtquelle gemäß eines sechstes
Ausführungsbeispiels und optischer Elemente gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
Figur 16 eine schematische perspektivische Darstellung einer Lichtquelle gemäß eines siebtes
Ausführungsbeispiels und optischer Elemente gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels, Figur 17 eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Elements gemäß eines sechsten Ausführungsbeispiels,
Figur 18 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines achten Ausführungsbeispiels ,
Figur 19 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines neunten Ausführungsbeispiels ,
Figur 20 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines zehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 21 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines elften Ausführungsbeispiels ,
Figur 22a eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines zwölften Ausführungsbeispie1s ,
Figur 22b eine Draufsicht auf die in Figur 22a dargestellte Lichtquelle,
Figur 23 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines dreizehnten Ausführungsbeispiels und optischer Elemente gemäß eines siebten Ausführungsbeispiels, 6 000698
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Figur 24 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines vierzehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 25 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 26 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines sechzehnten Ausführungsbeispie1s ,
Figur 27 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines siebzehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 28 eine perspektivische schematische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines achtzehnten Ausführungsbeispiels und optischer Elemente gemäß eines achten Ausführungsbeispiels,
Figur 29 eine schematische perspektivische Darstellung eines Gehäuses für die Lichtquelle gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels ,
Figur 30 eine schematische perspektivische Darstellung eines Gehäuses für die Lichtquelle gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels ,
Figur 31 eine schematische perspektivische Darstellung eines Gehäuses für die Lichtquelle gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels , Figur 32 eine schematische perspektivische Darstellung eines Gehäuses für die Lichtquelle gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
Figur 33a eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Elements gemäß eines neunten Ausführungsbeispiels ,
Figur 33b eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Elements gemäß eines zehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 33c eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines neunzehnten Ausführungsbeispiels und des optischen Elements gemäß eines elften Ausführungsbeispiels,
Figur 34a eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Elements gemäß eines zwölften Ausführungsbeispiels ,
Figur 34b eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Elements gemäß eines dreizehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 34c eine schematische perspektivische Darstellung optischer Elemente gemäß eines vierzehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 34d eine schematische perspektivische Darstellung optischer Elemente gemäß eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels , E2006/000698
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Figur 35 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels und des optischen Elements gemäß eines sechzehnten Ausführungsbeispiels,
Figur 36 eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtquelle gemäß eines einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels und des optischen Elements gemäß eines siebzehnten Ausführungsbeispiels,
Figur 37 eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Elements gemäß eines achtzehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 38 eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Elements gemäß eines neunzehnten Ausführungsbeispiels ,
Figur 39 eine schematische perspektivische Darstellung des optischen Elements gemäß eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels ,
Figur 40 eine Auftragung der LichtIntensität in Abhängigkeit zum Abstand zur optischen Achse gemessen in einem Strahlengang hinter dem in Figur 39 dargestellten optischen Element und hinter dem in Figur 37 dargestellten optischen Element.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente der Figuren sind nicht notwendigerweise als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können sie zum besseren Verständnis teilweise übertrieben groß dargestellt sein.
Die in Figur 1 dargestellte Projektionseinrichtung umfasst eine Lichtquelle 2, ein optisches Element 1 sowie einen Lichtmodulator 3. Selbstverständlich kann die Projektionseinrichtung 4 noch verschiedene weitere Elemente aufweisen, die jedoch zur Beschreibung des Ausführungsbeispiels aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen sind.
Die Lichtquelle 2, das optische Element 1 und der Lichtmodulator sind entlang eines Strahlenganges der Projektionseinrichtung 4 angeordnet, wobei der Strahlengang nicht linear verlaufen muss, sondern beispielsweise mittels Umlenkelementen beliebig umgelenkt und/oder mittels Strahlteilern einfach oder mehrfach aufgeteilt sein kann.
Die Lichtquelle 2 weist mehrere Lumineszenzdiodenchips 21 auf, wobei es alternativ möglich ist, einen einzigen Lumineszenzdiodenchip 21 zu verwenden, der eine entsprechend große Strahlungsauskoppelfläche aufweist wie die Mehrzahl von Lumineszenzdiodenchips gemeinsam. Die Lumineszenzdiodenchips weisen einen maximalen Abstrahlwinkel J3 auf, wobei der maximale Abstrahlwinkel ß bevorzugt derjenige Winkel ist, unter dem in einer Richtung noch mindestens 0,5 % derjenigen Strahlungsleistung emittiert wird, die unter einer Hauptabstrahlrichtung des Lumineszenzdiodenchips 21 von diesem emittiert wird. Die Lumineszenzdiodenchips sind beispielsweise Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchips, die in guter Näherung einen maximalen Abstrahlwinkel j3 von 90° aufweisen. 00698
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In Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchips dargestellt. Er weist eine Dünnfilmschicht 211 auf, die beispielsweise eine Dicke von kleiner als oder gleich 20 μm, beispielsweise von 9 μm aufweist.
Auf einer Hauptfläche ist die Dünnfilmschicht 211 im
Wesentlichen ganzflächig mit einem Reflektor 216 versehen. Die Dünnfilmschicht 211 ist derart auf einem Trägerelement 215 aufgebracht, dass der Reflektor 216 zu. diesem hingewandt ist und beispielsweise an das Trägerelement 215 angrenzt. Das Trägerelement 215 ist beispielsweise ein Trägersubstrat. Alternativ ist es auch möglich, dass das Trägerelement 215 kein Bestandteil des Lumineszenzdiodenchips 21 ist, sondern dass die Dünnfilmschicht 211 mit der Seite, auf der der Reflektor 216 aufgebracht ist, direkt auf einer Chipmontagefläche, beispielsweise eines Chipgehäuses oder eines sonstigen Chipträgers, aufgebracht ist.
Die Dünnfilmschicht umfasst eine Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise mit einem n-leitend dotierten Bereich 212, einer aktiven Zone 213, die elektromagnetische Strahlung emittiert, und einem p-leitend dotierten Bereich 214.
Bei einem Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchip wird unter Abstrahlwinkeln, die größer als 90° sind, grundsätzlich eine im Sinne der vorliegenden Erfindung vernachlässigbar große Strahlungsintensität emittiert.
Der Lichtmodulator 3 weist einen Lichtempfangsbereich 31 auf, siehe Figur 2. Er ist beispielsweise ein Mikrospiegelchip mit einer Vielzahl von Mikrospiegeln, die unabhängig voneinander um mindestens eine Achse kippbar sind, so dass durch ein 00698
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Kippen der Spiegel einzelne Pixel eines zu projizierenden Bildes beispielsweise hell oder dunkel geschaltet werden können. Der Lichtempfangsbereich wird durch die Mikrospiegel definiert, d.h. seine Außenkontur verläuft entlang den äußeren Rändern der außen auf dem Mikrospiegelchip angeordneten Mikrospiegel .
Als Alternative zu einem Mikrospiegelchip kann der Lichtmodulator 3 beispielsweise auch ein Mikro- Flüssigkristalldisplay (Mikro-LCD-Display) sein, bei dem das Licht anstatt durch ein Verkippen kleiner Spiegel durch ein An- und Ausschalten von Filtern moduliert wird. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines so genannten LCOS (Liquid Crystal on Silicon) für den Lichtmodulator.
Der Lichtempfangsbereich 31 weist beispielsweise eine rechteckige auszuleuchtende Querschnittsfläche auf, die jedoch auch quadratisch oder in irgendeiner anderen Weise geformt sein kann. Die rechteckige Querschnittsfläche des Lichtempfangsbereichs 31 weist eine Diagonale 32 der Größe von beispielsweise 0,5 Zoll oder 0,8 Zoll auf, wobei 1 Zoll 25,4 mm entspricht. Die Breite der auszuleuchtenden Querschnittsfläche hat zu der Länge von dieser beispielsweise ein Verhältnis von 3:4 oder 9:16.
Der Lichtempfangsbereich 31 des Lichtmodulators 3 weist einen maximalen Akzeptanzwinkel α auf, siehe Figur 1. Bei einem Mikrospiegelchip entspricht dieser Winkel beispielsweise demjenigen Winkel, um den die Mikrospiegel aus einer ebenen Position heraus maximal gekippt werden können. Dieser Winkel beträgt beispielsweise +/- 12°, +/- 14,5° oder +/-15°. Mögliche Werte für den maximalen Akzeptanzwinkel liegen z.B. 00698
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in einem Bereich zwischen einschließlich 10° und einschließlich 20°.
Licht, das unter einem größeren Winkel als dem maximalen Akzeptanzwinkel α auf den Lichtempfangsbereich 31 trifft, kann nicht oder nicht in einer vorgesehenen Weise moduliert werden. Deshalb ist es wichtig, dass die Divergenz eines von der Lichtquelle 2 emittierten Lichtkegels 22 durch das optische Element möglichst stark verringert wird, sodass zumindest das meiste Licht -unter einem Winkel auf dem Lichtempfangsbereich 31 des Lichtmodulators 3 auftrifft, der kleiner als der maximale Akzeptanzwinkel α ist. Der Lichtkegel 22 tritt beispielsweise unter einem maximalen Winkel y von kleiner als oder gleich 20° aus dem optischen Element 1 aus. Der Winkel γ beträgt z.B. 12°.
Für die Anzahl N der Lumineszenzdiodenchips 21 gilt:
0,7* (AM * sin2 (α) ) /(A0 * sin2(ß) * n2)< N < 1,3* (AM * sin2 (α)) /(AD * sin2(ß) * n2) .
Wenn für die Lichtquelle 2 die Verwendung von Lumineszenzdiodenchips 21 einer bestimmten Größe vorgesehen ist, so können anhand dieser Beziehung mögliche Werte für die Anzahl N der Lumineszenzdiodenchips ermittelt werden, mit denen eine möglichst effiziente Nutzung der von den Lumineszenzdiodenchips emittierten Strahlung möglich ist. Alternativ ist es auch möglich, die Anzahl N der Lumineszenzdiodenchips 21 fest vorzugeben und anhand obiger Beziehung mögliche Abmessungen für die Lumineszenzdiodenchips bzw. mögliche Größen für die Strahlungsauskoppelfläche der Lumineszenzdiodenchips 21 zu ermitteln. Welcher Wert in der obigen Beziehung für n eingesetzt wird, hängt davon ab, inwieweit die Strahlenauskopplung aus den Lumineszenzdiodenchips durch entsprechende Mittel beeinflusst ist.
Besteht in dem Lichtweg zwischen den Lumineszenzdiodenchips und dem optischen Element ein Spalt und ist die Strahlungsauskoppelfläche AQ der Lumineszenzdiodenchips frei von einem Koppelmedium, so beträgt n = 1. Ein Beispiel hierfür ist in Figur 4 dargestellt, in der die Luitiineszenzdiodenchips 21, insbesondere deren Strahlungsauskoppelflächen, im Wesentlichen frei von Kapsel- oder Koppelmaterial sind.
Unter einem Kapsel- oder Koppelmaterial ist beispielsweise ein dielektrisches Material zu verstehen, das für die von den Lumineszenzdiodenchips 21 emittierte Strahlung durchlässig ist und einen Brechungsindex aufweist, der bevorzugt demjenigen eines Halbleitermaterials der Lumineszenzdiodenchips 21 entspricht, so dass Fresnel- Verluste und Totalreflexionen an der Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und umgebendem Medium signifikant verringert sind.
Fresnel-Verluste sind Verluste aufgrund von Reflexionen an Grenzflächen, an denen es einen Brechungsindexsprung gibt. Ein typisches Beispiel ist der Brechungsindexsprung zwischen Luft und einem dielektrischen Material, beispielsweise beim Eintritt oder Austritt von elektromagnetischer Strahlung in ein bzw. aus einem optischen Element.
Zwischen den Lumineszenzdiodenchips 21 und dem optischen Element 1 besteht ein Spalt 5, beispielsweise ein Luftspalt. Alternativ kann der Spalt 5 auch mit einem anderen Gas gefüllt sein und es ist ebenso möglich, dass in dem Spalt 5 ein Vakuum herrscht .
Bei dem in Figur 5 dargestellten Aufbau besteht ebenfalls ein Luftspalt 5 zwischen dem optischen Element 1 und den Lumineszenzdiodenchips 21. Im Unterschied zu den in Figur 4 dargestellten Lumineszenzdiodenchips 21 sind die in Figur 5 dargestellten jedoch mit einem Kapselmaterial 24 versehen, insbesondere sind sie mittels des Kapselmaterials 24 vollständig eingekapselt und somit vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise Feuchtigkeit geschützt. Dieses Kapselmaterial 24 stellt jedoch kein Koppelmedium im Sinne der vorliegenden Erfindung dar, solange es über einer Hauptabstrahlfläche der Lumineszenzdiodenchips 21 eine Dicke 241 aufweist, die kleiner als oder gleich 0,2 mal einer maximalen lateralen Ausdehnung der Lumineszenzdiodenchips ist.
Bei rechteckigen Lumineszenzdiodenchips entspricht die längere der beiden horizontalen Chipkantenlängen der lateralen Ausdehnung des Lumineszenzdiodenchips. Generell ist der maximale Abstand von einander gegenüberliegenden sich horizontal erstreckenden Kanten der Lumineszenzdiodenchips als maximale laterale Ausdehnung von diesen zu wählen.
Bei quadratischen Lumineszenzdiodenchips mit einer horizontalen Chipkantenlänge von beispielsweise 1 mm ist das Kapselmaterial 24 nicht als ein Koppelmedium im Sinne der vorliegenden Anmeldung zu verstehen, solange das Kapselmaterial 24 die Lumineszenzdiodenchips, insbesondere deren Strahlungsauskoppelflächen, im wesentlichen plan abdeckt. Besonders vorteilhaft ist, wenn das Kapselmaterial 24 möglichst dünn ausgeführt ist, was insbesondere der Fall ist, wenn die Dicke 241 weniger als oder gleich 200 μm beträgt. Bei solchen Bedingungen ist das Kapselmaterial 24 kein Koppelmedium im Sinne der vorliegenden Anmeldung.
Beträgt die Dicke dagegen mehr als 200 μm, so ist das Kapselmaterial 24 als ein Koppelmedium anzusehen, was zur Folge hat, dass der Wert für n gleich dem Brechungsindex des Kapselmaterials 24 zu setzen ist.
In den Figuren 6 bis 8 sind weitere Beispiele für Koppelmedien 6 veranschaulicht. Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Koppelmedium beispielsweise aus einem Koppelmaterial, mittels dem die Lumineszenzdiodenchips 21 optisch an einen dielektrischen Grundkörper des optischen Elements 1 angekoppelt sind. Das Koppelmaterial ist beispielsweise ein strahlungsdurchlässiges Gel mit einem Brechungsindex, der entweder an den Brechungsindex des dielektrischen Körpers des optischen Elements 1 oder an den Brechungsindex eines
Halbleitermaterials der Lumineszenzdiodenchips 21 angepasst ist oder zwischen den Brechungsindizes dieser beiden Materialien liegt. Alternativ zu einem Gel kann beispielsweise auch ein Epoxydharz oder ein lackartiges Material verwendet werden.
Der Brechungsindex des Koppelmaterials 6 liegt bevorzugt zwischen dem des dielektrischen Körpers des optischen Elements 1 und eines Halbleitermaterials der Lumineszenzdiodenchips 21. Wesentlich ist, dass der Brechungsindex signifikant größer als 1 ist. Beispielsweise wird ein Koppelmaterial für das Koppelmedium verwendet, dessen Brechungsindex größer als 1,3, bevorzugt größer als 1,4 ist. Hierfür kommen z.B. Silikone in Frage. Es sind aber auch andere Stoffe wie z.B. Flüssigkeiten als Koppelmedium möglich. Wasser hat beispielsweise einen Brechungsindex von größer als etwa 1,3 und ist als Koppelmedium grundsätzlich geeignet .
Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Koppelmedium 6 aus Koppelelementen, die über den Lumineszenzdiodenchips 21 geformt sind. Beispielsweise sind linsenartige Elemente auf den Hauptabstrahlflächen der Lumineszenzdiodenchips 21 aufgebracht, die z.B. aus einem Epoxydharz oder einem silikonhaltigen Material gebildet sind und mittels denen die Strahlungsauskopplung aus den Lumineszenzdiodenchips 21 sowie die Strahlungseinkopplung von elektromagnetischer Strahlung in das optische Element 1 erhöht wird.
Die in Figur 6 dargestellten linsenartigen Elemente wirken bezüglich einer Beeinflussung des Etendue des von den Lumineszenzdiodenchips emittierten Strahlenkegels ähnlich wie das in Figur 6 dargestellte Koppelmaterial . Die linsenartigen Elemente stellen eine nicht-Plane oder unebene Abdeckung für die Lumineszenzdiodenchips 21 dar, die für eine Vergrößerung des Etendue der Lumineszenzdiodenchips 21 sorgt. Die Vergrößerung des Etendue beträgt etwa das Quadrat des Brechungsindex der linsenartigen Elemente. Diesbezüglich ist die Wirkung der linsenartigen Elemente vergleichbar mit der des vorhergehend anhand Figur 6 beschriebenen Koppelmaterials. Ein Unterschied ist jedoch, dass bei Verwendung von unebenen Abdeckungen wie z.B. den in Figur 7 dargestellten noch zusätzliche Fresnel-Verluste beim Austritt der Strahlung aus der unebenen Abdeckung und beim Eintritt der Strahlung in das optische Element auftreten. Bei dem in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Koppelmediutn 6 aus einer dünnen Schicht Klebstoff, mittels dem die Lumineszenzdiodenchips 21 direkt an einem Lichteingang des optischen Elements 1 angebracht und optisch an das optische Element 1 angekoppelt sind, ähnlich wie bei dem vorhergehend anhand Figur 6 erläuterten Ausführungs- beispiel .
0,7* (AM * sin2 (α) ) /(An * sin2(ß) * n2)< N < 1,3*(AM * sin2 (α) ) /(A0 * sin2(ß) * n2)
In der folgenden Tabelle sind Beispiele für die Bestimmung der Anzahl N, x und y angegeben. Der Lichtempfangsbereich hat jeweils einen maximalen Akzeptanzwinkel α von 12° . Es werden Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchips mit einem maximalen Emissionswinkel ß von 90° und einer quadratischen Form mit einer Chipkantenlänge von lmm verwendet. Die Lumineszenzdiodenchips sind frei von einem Koppelmedium und zwischen den Lumineszenzdiodenchips und dem optischen Element besteht eine Luftspalt, so dass n=l.
Die Dünnfilmschicht hat eine Dicke von lOμm, so dass ihre Seitenflächen eine Fläche von 0,04 mm2 ergeben. Über diese Seitenflächen werden jedoch weniger al 1% der gesamten Strahlung aus dem Lunineszenzdiodenchip emittiert, weshalb sie insbesondere bei den vorliegenden Beispielen vernachlässigt werden kann. Deshalb ist die Strahlungsauskoppelfläche A0 in diesen Beispielen als 1,0 mm2 gesetzt. Alternativ könnten die Seitenflächen der Dünnfilmschicht berücksichtigt werden, so dass A0 in dem Beispiel 1,04 mm2 betragen würde. Die Vernachlässigung der Seitenflächen ist jedoch bevorzugt. „Qu. N" steht für den Quotienten (AM * sin2 (α) ) / (AD * sin2(ß) * n2) , „Qu. xΛλ steht für den Quotienten (1M * sin(α))/(lD * sin(ß) * n) und „Qu. y* steht für den Quotienten (bM * sin(α))/(bD * sin(ß) * n) .
Figure imgf000032_0001
Im Beispiel 1 und 2 handelt es sich um einen 0,5 Zoll Lichtmodulator, d.h. der Querschnitt des Lichtempfangsbereich miss in der Diagonale 0,5 Zoll, wobei ein Zoll gleich 25,4 mm ist. Im Beispiel 1 haben die Breite und die Länge des Querschnitts des Lichtempfangsbereich ein Verhältnis von 3:4, im Beispiel 2 ein Verhältnis von 9:16. Überraschenderweise ergibt sich für die Anzahl N der Lumineszenzdiodenchips im Beispiel 1 ein möglicher Wertebereich von nur 3,22 +/- 30%, unter Berücksichtigung der Längen und Breiten ist für die Anzahl N 4 ein vernünftiger Wert, für x und y wird zweckmäßigerweise jeweils 2 gewählt, d.h. eine zwei mal zwei Matrix von Lumineszenzdiodenchips wäre beispielsweise effizient im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Im Beispiel 2 ergibt sich für N ein möglicher Wertebereich von 2,86 +/- 30%, der noch geringere Werte für N zulässt. Z.B. könnte hier eine ein mal drei Matrix von Lumineszenzdiodenchips verwendet werden.
In den Beispielen 3 bis 6 handelt es sich jeweils um einen 0,8 Zoll Lichtmodulator, wobei die Breite und die Länge des Querschnitts des Lichtempfangsbereich im Beispiel 3 und 4 ein Verhältnis von 3:4 zueinander aufweisen, im Beispiel 5 und 6 dagegen ein Verhältnis von 9:16.
Eine besonders zweckmäßige Optimierung des Systems kann erfolgen, wenn die Anzahl N vorgegeben wird und die Größe des Lumineszenzdiodenchips entsprechend anhand der obigen Beziehungen berechnet wird. Beispielsweise ergeben sich für einen 0,5 Zoll Lichtmodulator mit einem Verhältnis Breite zu Länge von 3:4 und einem maximalen Akzeptanzwinkel von 12° sowie einer vorgegebenen Anzahl von 4 Chips eine Chipkantenlänge von 1,06 mm und eine Chipkantenbreite von 0,8 mm, d.h. Chips mit einer rechteckigen Form. Bei einer vorgegebenen Anzahl N von 6 Lumineszenzdiodenchips und einem maximalen Akzeptanzwinkel von 15° ergibt sich bei einem solchen Lichtmodulator z.B. eine Chipkantenlänge von 1,0 mm und eine Chipkantenbreite von 0,875 mm.
Diese Beispiele gelten jeweils für n=l, d.h. die Lumineszenzdiodenchips sind frei von einem Koppelmedium. Für den Fall, dass die Lumineszenzdiodenchips mit einem Koppelmedium versehen sind, dass eine Material mit einem Brechungsindex n=2 aufweist, würden die oben errechneten Längen und Breiten der Chips nur halb so groß sein. In diesem Fall ist es Effizienter, deutlich kleinere Lumineszenzdiodenchips zu verwenden. Nachfolgend ist die obige Tabelle für den Fall aufgetragen, dass die Seitenflächen der Dünnfilmschicht nicht vernachlässigt werden, d.h. AD ist gleich 1,04 mm2. Es ergeben sich für die Werte "Qu. N" lediglich kleine Unterschiede, was das Ergebnis, d.h. die gewählten Möglichkeiten für N, in diesem Ausführungsbeispiel jedoch nicht beeinflusst.
Figure imgf000034_0001
Die in Figur 10 dargestellte Lichtquelle umfasst mindestens einen Lumineszenzdiodenchip 21, der auf einem Träger 23 aufgebracht ist. Der Träger 23 der Lichtquelle umfasst einen Chipträger 232, auf dem der Lumineszenzdiodenchip 21 montiert ist, z.B. mittels Löten. Der Chipträger besteht z.B. aus einem elektrisch isolierenden Material, das bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Er weist beispielsweise Silizium, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid, Bornitrid, oberflächlich oxidiertes Silizium, Diamant, Kunststoff- Kohlefaserverbund, Glas-Kohlefaserverbund und/oder Glas- Diamantpartikelverbund auf .
Der Chipträger 232 ist auf einem wärmeleitenden Substrat 231 aufgebracht. Dieses weist beispielsweise ein elektrisch E2006/000698
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leitfähiges Material auf oder besteht aus einem solchen. Mögliche Materialien sind z.B. Kupfer, Aluminium, Magnesium und/oder CMC (Kupfer-Molybdän-Kupfer-Schichtenfolge) . Das wärmeleitende Substrat 231 dient als Wärmesenke für die von dem Lumineszenzdiodenchip 21 bei dessen Betrieb erzeugte Wärme. Der Chipträger 232 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material und ist bevorzugt unmittelbar an das wärmeleitende Substrat 231 angebunden.
Auf dem Chipträger 232 sind beispielsweise Metallisierungen ausgebildet, mittels denen z.B. Chipkontaktierflächen und/oder Leiterbahnen gebildet sind, zum Kontaktieren des Lumineszenzdiodenchips 21. Eine elektrische Anschlussseite des Lumineszenzdiodenchips 21 kann elektrisch leitend mit dem wärmeleitenden Draht 231 verbunden sein, so dass dieses zusätzlich als eine Elektrode fungiert.
Alternativ ist das wärmeleitende Substrat mit einer elektrisch isolierenden Schicht 239 versehen, auf der wiederum eine dünne Schicht elektrisch leitfähigen Materials aufgebracht ist, das beispielsweise mittels Ätzen zu Leiterbahnen strukturiert ist, siehe Figuren 19, 20, 21. Bevorzugt ist die elektrisch isolierende Schicht und die dünne elektrisch leitfähige Schicht in einem Bereich entfernt, in dem die Lumineszenzdiodenchips 21 mit einem Chipträger unmittelbar auf dem wärmeleitenden Substrat montiert werden. Die Wärmeabfuhr und die Emissionsleistung der Lumineszenzdiodenchips ist dadurch signifikant -erhöht. Verglichen mit dem Fall, dass der Chipträger über der isolierenden Schicht aufgebracht wird, kann eine Erhöhung der emittierten Strahlungsintensität von 35% erzielt werden. Eine Lichtquelle mit einem derartigen Aufbau ist beispielsweise jeweils in den Figuren 19 bis 21 dargestellt. Bei dem in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Lichtquelle einen DCB-Träger (Direct Copper Bonding) . Dieses umfasst einen Trägerkern 233, der mit einer elektrisch leitfähigen Hülle 234 versehen ist. Die Hülle 234 weist beispielsweise Kupfer auf oder besteht aus diesem. Der Trägerkern 233 besteht bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass die elektrisch leitfähige Hülle strukturiert und dadurch zu Leiterbahnen für die Lichtquelle 2 bzw. für die Lumineszenzdiodenchips 21 geformt werden kann.
Der Trägerkern 233 weist beispielsweise mindestens eines der Materialien AlN, AI2O3 , SiC, BN, Diamant, Glasfaserverbund, Kunststofffaserverbund, Kohlefaserverbund, Glas-Diamantverbund auf oder besteht aus mindestens einem dieser Materialien. Besonders bevorzugte Materialien für den Trägerkern 233 sind Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid.
Bei dem in Figur 12 dargestellten Aufbau ist die Lichtquelle 2 als ein Lichtquellenmodul ausgebildet, das einen Gegenstecker 25 aufweist, so dass die Lichtquelle 2 mittels eines entsprechenden Steckers auf einfacher Weise elektrisch angeschlossen werden kann. Der Träger 23 der Lichtquelle ist beispielsweise wie vorhergehend anhand Figur 11 geschrieben ausgebildet. Das Hüllmaterial 234 ist zu elektrischen Leiterbahnen 26 geformt, mittels denen die Lumineszenzdiodenσhips mit dem Gegenstecker 25 elektrisch leitend verbunden sind.
Die elektrische Schaltung der Lichtquelle 2 umfasst zudem Bauelemente 27, die einen Schutz vor einer elektrostatischer Entladung der Lumineszenzdiodenchips bieten (ESD-Schutz) . Es handelt sich bei diesen Bauelementen 27 beispielsweise um Varistoren, Kondensatoren oder Dioden. Sie sind z.B. zu den Lumineszenzdiodenchips parallel oder antiparallel (bezogen auf eine etwaige Durchlassrichtung des Bauelements, z.B. der Dioden) angeschlossen. Der Träger 23 der Lichtquelle 2 umfasst zudem Montagelöcher 28, mittels denen das Lichtquellenmodul auf technisch einfache Weise mechanisch montiert werden kann, beispielsweise unter Verwendung von Passstiften und entsprechenden Fixierelementen.
Auf der Lichtquelle 2 sind über den Lumineszenzdiodenchips eine Mehrzahl optischer Elemente 1 angeordnet, die zum Beispiel einstückig miteinander ausgebildet sind. Die optischen Elemente 1 sind CPC-artig ausgebildet und weisen einen Grundkörper 11 auf, der für jedes optische Element 1 einen gesonderten Hohlraum definiert und dessen Innenwände reflektierend sind für die von der Lichtquelle emittierte Strahlung .
Jeder Lumineszenzdiodenchip der Lichtquelle 2 ist beispielsweise einem einzigen optischen Element 1 zugeordnet. Ein den Lumineszenzdiodenchips zugewandter Strahleneingang der optischen Elemente weist eine Strahlungseingangsöffnung, deren Seiten z.B. ≤ 1,5 mal einer entsprechenden horizontalen Kantenlänge der Lumineszenzdiodenchips, bevorzugt von ≤ 1,25 mal dieser Kantenlänge ist. Ordnet man einen derart kleinen Strahleneingang möglichst nah am Lumineszenzdiodenchip an, kann man eine Divergenz der von den Lumineszenzdiodenchips emittierten Strahlung auf effektive Weise verringern und einen Strahlenkegel mit einer hohen Leuchtdichte erzeugen.
Statt jedem Lumineszenzdiodenchip ein einziges eigenes optisches Element 1 zuzuordnen, kann das optische Element 1 auch für eine Mehrzahl von Lumineszenzdiodenchips 21 vorgesehen sein, wie das in Figur 13 dargestellte optische Element 1. Dieses ist auch in der Art eines CPC ausgebildet und weist einen Grundkörper 11 auf, der einen Hohlraum mit reflektierenden Innenwänden definiert. Das optische Element 1 ist beispielsweise für sechs Lumineszenzdiodenchips 21 vorgesehen.
Zur Erwirkung einer möglichst hohen Effizienz sollte die Lumineszenzdiodenchips 21 möglichst nah beieinander angeordnet sein. Benachbarte Lumineszenzdiodenchips 21 weisen beispielsweise einen Abstand von ≤ 50 μm zueinander auf. Besonders bevorzugt weisen benachbarte Lumineszenzdiodenchips im wesentlichen keinen Abstand zueinander auf.
Der Strahleneingang und der Strahlenausgang des optischen Elements 1 weist beispielsweise jeweils eine rechteckige Form auf . Der Strahleneingang kann alternativ zum Beispiel auch einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweisen. Will man mit einem derartigen optischen Element, das für eine Mehrzahl von Lumineszenzdiodenchips vorgesehen ist, eine gleiche Verringerung der Divergenz erreichen, wie mit einer Mehrzahl optischer Elemente, die jeweils einem einzigen Chip zugeordnet sind, so muss dieses eine signifikant größere Länge aufweisen als die Mehrzahl optischer Elemente.
Wenn ein aus dem optischen Element 1 emittierter Lichtkegel einen maximalen Öffnungswinkel von θ aufweisen soll, erfordert dies immer eine gewisse Mindestlänge des konzentratorartig ausgebildeten optischen Elements, die in Zusammenhang mit einer entsprechenden Ausdehnung a des Strahleneingangs steht. Für einen idealen kompakten parabolischen Konzentrator gilt 1 = a/2 ( l+Sin θ ) *cos ( θ ) /sin2 ( θ ) ,
wobei 1 die Mindestlänge des optischen Elements 1 ist. Für einen maximalen Öffnungswinkel von 15° muss die Länge des optischen Elements 1 etwa neun Mal so groß wie die Länge des Strahleneingangs. Für einen maximalen Öffnungswinkel von etwa 9° beträgt dieser Faktor etwa 23 und für einen Öffnungswinkel von 20° wird die 5, 5- fache Länge benötigt. Je nach konkreter Ausführung des Konzentrators kann die Mindestlänge 1 alternativ auch als eine Optimallänge angesehen werden, wobei es insbesondere auch möglich sein kann, diese zu unterschreiten, beispielsweise um bis zu 10 % oder um bis zu 20 %.
Je kleiner also ein Lichteingang des optischen Elements 1 ist, desto kleiner kann die Länge des optischen Elements entlang seiner optischen Achse sein, um einen bestimmten maximalen Abstrahlwinkel für den emittierten Lichtkegel zu erzielen. Ist das optische Element dagegen für eine Mehrzahl von Lumineszenzdiodenchips vorgesehen, das heißt hat es einen entsprechend größeren Strahleneingang, so ist eine Montage des optischen Elements relativ zu den Lumineszenzdiodenchips weniger kritisch. Besonders bevorzugt sind pro Lichtquelle mindestens zwei optische Elemente vorgesehen, denen jeweils mehrere Lumineszenzdiodenchips zugeordnet sind.
Das optische Element weist auf Seite des Strahlenausgangs bevorzugt einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf . Dadurch kann ein Querschnitt des Lichtkegels in dem optischen Element derart geformt werden, er zumindest teilweise an den Querschnitt des Lichtempfangsbereichs des Lichtmodulators angepasst wird. Das optische Element weist gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Strahleneingang mit einem quadratischen Querschnitt auf. Dieser ist für eine quadratische Anordnung von Lumineszenzdiodenchips 23 vorgesehen, wie sie beispielsweise jeweils in den Figuren 24 bis 27 mit 2 mal 2 Lumineszenzdiodenchips dargestellt ist. Der Querschnitt des Strahleneingangs kann alternativ z.B. auch rechteckförmig sein.
Zusätzlich oder alternativ weist das optische Element entlang einer ersten Ebene einen ersten maximalen Abstrahlwinkel von beispielsweise 11,5° und entlang einer zweiten Ebene einen zweiten maximalen Abstrahlwinkel von beispielsweise 15,5°. Hierzu kann der quadratische Querschnitt auf Seite des Strahleneingangs im Verlauf zum Strahlenausgang beispielsweise in einen rechteckförmigen Querschnitt übergehen, der eine Ausdehnung von z.B. 10 mal 7,5 mm aufweist. Insbesondere weist ein erstes Paar einander gegenüberliegender reflektierender Flächen des optischen Elements dabei einen steileren Verlauf auf als ein zweites Paar einander gegenüberliegender reflektierender Flächen. Beispielsweise ist das in Figur 16 oder das in Figur 33B dargestellte optische Element 1 in einer solchen Art ausgebildet.
Als Alternative zu einem CPC-artigen Konzentrator weist das optische Element 1 zum Beispiel Seitenwände auf, die in geraden Linien von dem Strahleneingang zum Strahlenausgang verlaufen. Beispiele für derartige optische Elemente 1 sind in den Figuren 15, 28, 33c und 34d dargestellt. Es handelt sich entweder um einen dielektrischen Konzentrator mit einer kegelstumpfartigen Grundform oder um einen Konzentrator mit einem Grundkörper 11, der einen entsprechenden Hohlraum definiert. Bei derartigen Konzentratoren ist der Strahlenausgang bevorzugt mit einer sphärischen oder asphärischen Linse versehen bzw. in der Art einer derartige Linse nach außen gewölbt.
Der Vorteil einer asphärischen Wölbung, verglichen mit einer sphärischen Wölbung, ist, dass die asphärische Wölbung beispielsweise mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse des optischen Elements 1 abnimmt . Dadurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Strahlenkegel, dessen Divergenz durch das optische Element 1 zu verringern ist, keine punktförmige Lichtstrahlungsquelle, sondern einen Strahlungsquelle mit einer gewissen Ausdehnung ist.
Ein derartiges optisches Element hat, verglichen mit einem CPC-artigen optischen Element den Vorteil, dass mit ihm eine vergleichbare Verringerung der Divergenz eines Strahlenkegels bei gleichzeitig signifikanter Verringerung der Bauhöhe des optischen Elements 1 erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil derartiger optischer Elemente ist, dass ihre geraden Seitenflächen einfacher mittels eines Spritzverfahrens wie beispielsweise Spritzgießen oder Spritzpressen hergestellt werden können, während die Ausbildung gewölbter Seitenflächen wie bei CPC-artigen Konzentratoren vergleichsweise schwierig ist.
In den Fällen, in denen das optische Element 1 als Hohlraumreflektor mit einem Grundkörper 11 ausgebildet ist, lässt sich über diesen Grundkörper 11 an der Lichtquelle 2 befestigen oder relativ zu der Lichtquelle 2 positionieren. Ausführungsbeispiele, in denen das optische Element als ein Hohlraumreflektor ausgebildet ist, sind in den Figuren 12, 13, 33b, 34b und 34c dargestellt.
Wenn das optische Element 1 dagegen in der Art eines dielektrischen Konzentrators ausgebildet ist, sind in der Regel zusätzliche Befestigungsvorrichtungen nötig, um das optische Element 1 auf der Lichtquelle 2 oder relativ zu der Lichtquelle 2 zu positionieren. Beispiele £ür optische Elemente, die in der Art eines dielektrischen Konzentrators ausgebildet sind, sind in den Figuren 14 bis 17, 23, 28, 33a, 33c, 34a und 34d dargestellt.
Die in den Figuren 23, 28 und 14 bis 16 dargestellten optischen Elemente weisen Halteelemente 12 auf, die sich in der Nähe des Strahlenausgangs des optischen Elements bzw. der optischen Elemente 1 von dem dielektrischen Grundkörper 13 weg erstrecken und seitlich von diesem wegragen sowie in einem Abstand zu dem Grundkδrper 13 in Richtung des Strahleneingangs verlaufen.
Die Halteelemente 12 können beispielsweise säulenartige Elemente umfassen, auf denen die optischen Elemente aufgestellt und somit relativ zu der Lichtquelle 2 positioniert werden können, siehe zum Beispiel Figuren 15 und 16. Alternativ können die Halteelemente 12 auch wandartige Stützen aufweisen, welche die optischen Elemente zumindest teilweise seitlich umschließen, siehe zum Beispiel Figuren 14 und 23.
Als Alternative zu Halteelementen 12 können die optischen Elemente 1 auch mittels separater Halterungsvorrichtungen montiert und positioniert werden. Beispielsweise können sie in einen separaten Rahmen gesteckt werden.
Die Lumineszenzdiodenchips sind beispielsweise in Chipgehäusen 235 montiert, wie sie beispielhaft in den Figuren 29 bis 32 dargestellt sind. Die Chipgehäuse 235 sind beispielsweise auf dem Träger 23 und der Lichtquelle 2 montiert oder sie bilden selbst bereits eine Lichtquelle 2, die elektrisch leitend kontaktiert werden kann und bei Betrieb eine elektromagnetische Strahlung emittiert. Beispiele für Lichtquellen 2, bei denen ein oder mehrere Chipgehäuse 235 auf den Träger 23 montiert sind, sind in den Figuren 18 bis 28 dargestellt.
Das Chipgehäuse 235 umfasst einen Chipträger 232 sowie einen Gehäuserahmen 236. Der Chipträger 232 weist Metallisierungen auf, die mindestens einen, bevorzugt mehrere Chipanschluss- bereiche 237 sowie elektrische Leiterbahnen 238 bilden. Auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten ist der Chipträger 232 frei von Rahmenmaterial, so dass die Leiterbahnen 238 an diesen Stellen zugänglich und somit elektrisch leitend kontaktierbar sind.
Das Chipgehäuse 235 ist entweder monolithisch gebildet, so dass der Gehäuserahmen 236 und der Chipträger 232 zu einem einstöckigem Teil geformt sind. Dies ist zum Beispiel bei der Verwendung von einer Keramik als Material für das Chipgehäuse möglich, wenn der Rahmen 236 auf dem Chipträger 232 aufgesetzt wird, noch bevor das keramische Material gebrannt und somit ausgehärtet ist. Beim anschließenden Brennprozess verbinden sich der Rahmen 236 und der Chipträger 232 zu einem gemeinsamen Teil. Dies kann durch aneinander pressen der beiden Teile im ungebrannten Zustand unterstützt werden. Alternativ ist der Chipträger 232 und der Rahmen 236 jeweils separat ausgebildet. Der Gehäuserahmen 236 ist in diesem Fall beispielsweise auf dem Chipträger 232 aufgeklebt.
Der Chipträger 232 und/oder der Gehäuserahmen 236 weisen beispielsweise Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Glaskeramik, Glas und/oder Metall auf . Der Rahmen kann aus einem Kunststoff bestehen oder einen solchen Kunststoff aufweisen, der einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie ein Material des Chipträgers 232 aufweist und bevorzugt mit einem gut reflektierenden Material beschichtet ist. Prinzipiell ist der Rahmen bevorzugt weiß eingefärbt oder mit einem weißen oder sonstigen reflektierenden Material beschichtet .
Die Chipkontaktierbereiche 237 und die Leiterbahnen 238 sind beispielsweise aus Metallbeschichtungen, zum Beispiel aus GoldbeSchichtungen gebildet. Dies ist beispielsweise bei den in Figur 29 und 32 dargestellten Chipgehäusen der Fall.
Das im Figur 30 dargestellte Chipgehäuse 235 weist Chipkontaktierbereiche 237 auf, die aus einem Lot gebildet sind. Beispielsweise sind die Chipkontaktierbereiche jeweils aus einer Mehrzahl kleiner Lotbumps definiert .
Die Leiterbahnen 238 weisen zum Beispiel Aluminium auf oder bestehen aus diesem. Dies hat den Vorteil, dass Aluminium als Lotstopp für das Lot der Chipkontaktierbereiche 237 fungiert.
Das in Figur 31 dargestellte Chipgehäuse 235 weist Leiterbahnen 238 mit Abschnitten auf, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Erste Abschnitte 2381 weisen beispielsweise Aluminium auf, das als Lotstopp fungieren kann, und zweite Abschnitte 2382 weisen ein anderes Metall, beispielsweise Gold auf. Durch die ersten Abschnitte 2381 kann z.B. das Risiko von Kurzschlüssen verringert werden. Außerdem kann der Lötstopp verhindern, dass Lot, welches für eine Montage von Lumineszenzdiodenchips vorgesehen ist, die Leiterbahnen benetzt und dabei z.B. Goldkontaktierungen beschädigt oder auflöst.
Der Gehäuserahmen eignet sich dazu, die in dem Chipgehäuse 235 montierten Lumineszenzdiodenchips mit einer Vergussmasse zu versehen. Dazu wird der Innenbereich des Chiprahmens beispielsweise zumindest teilweise mit einer Vergussmasse gefüllt. Die Vergussmasse dient zum einem dazu, die Lumineszenzdiodenchips 21 einzukapseln und so vor äußeren Einflüssen zu schützen. Zusätzlich oder alternativ kann die Masse jedoch auch als Matrixmaterial für einen oder mehreren Leuchtstoffe dienen, so dass die Vergussmasse ein Lumineszenzkonversionselement bildet. Alternativ ist das Lumineszenzkonversionselement in einer dünnen Schicht unmittelbar auf der Strahlungsauskoppelfläche des Lumineszenzdiodenchips aufgebracht .
Bevorzugt ist vorgesehen, dass verschiedene Lumineszenzdiodenchips einer Lichtquelle mit unterschiedlichen Lumineszenzkonversionselementen versehen sind, das heißt die Lumineszenzkonversionselemente weisen unterschiedliche Leuchtstoffe oder Leuchtstoffmischungen auf. Beispielsweise ist von vier Lumineszenzdiodenchips 21 einer mit einem blau-emittierenden Leuchtstoff, einer mit einem rot-emittierenden Leuchtstoff und zwei mit einem grünemittierenden Leuchtstoff versehen, wobei es sich bei dem grün-emittierenden Leuchtstoff um den gleichen handeln kann. Statt eines blau-emittierenden Leuchtstoffs kann auch eine blau-emittierende Lumineszenzdiode verwendet werden, die nicht mit einem Lumineszenzkonversionsmaterial versehen ist.
Bei der Verwendung von Leuchtstoffen können Lumineszenz- diodenchips verwendet werden, die elektromagnetische Strahlung emittieren, deren Wellenlängen zumindest teilweise außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen. Beispielsweise basieren die Lumineszenzdiodenchips auf AlInGaN und emittieren bei ihrem Betrieb eine elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten Bereich.
Für die Lumineszenzkonversionselemente eignen sich alle für die Anwendung bei LEDs bekannten Konverter. Beispiele für derartige als Konverter geeignete Leuchtstoffe und Leuchtstoffmischungen sind:
- Chlorosilikate, wie beispielsweise in DE 10036940 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
- Orthosilikate, Sulfide, Thiometalle und Vanadate wie beispielsweise in WO 2000/33390 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
- Aluminate, Oxide, Halophosphate , wie beispielsweise in US 6616862 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
- Nitride, Sione und Sialone wie beispielsweise in DE 10147040 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart, und
- Granate der Seltenen Erden wie YAG: Ce und der Erdalkalielemente wie beispielsweise in US 2004-062699 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart. Die in den Figuren 22a bis 23 dargestellten Lichtquellen 2 weisen beispielsweise Lumineszenzdiodenchips 21 auf, die in der oben beschriebenen Art vergossen sind. Die Gehäuserahmen der in diesen Figuren dargestellten Chipgehäuse 235 weisen eine derart geformte Aussparung auf, dass sie als Justagehilfe zum Justieren der optischen Elemente 1 über den Lumineszenzdiodenchips 21 dienen.
Die Ausnehmung der Chiprahmen weist eine quadratische oder rechteckige Grundform auf, wobei die Ecken des Quadrates oder des Rechtecks mit einer runden, beispielsweise kreisrunden Form überlagert ist, so dass Kanten der optischen Elemente 1 auf technisch einfache Weise in den Gehäuserahmen eingeführt werden können und dabei durch die runden Erweiterungen der Aussparungen geführt sind.
Das optische Element 1 kann alternativ auch als ein Lichtleiter mit konstanter Querschnittsfläche, wie in Figur 38 dargestellt, oder mit einer sich zum Lichtausgang hin vergrößernden Querschnittsfläche, wie in Figur 37 dargestellt, ausgebildet sein. Der Lichtleiter dient zum Mischen von Licht der Lichtquelle 2 und führt zu einem homogener ausgeleuchteten Lichtkegel, insbesondere wenn die Lichtquelle unterschiedlich farbiges Licht emittierende Lumineszenzdiodenchips 21 und/oder Licht unterschiedlicher Farben emittierende Lumineszenzkonversionselemente aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Strahlenausgang des Lichtleiters beispielsweise mittels einer Projektionslinse abgebildet wird, da der Lichtkegel an dieser Stelle durch den Lichtleiter eine große Durchmischung erfahren hat . Mit zunehmendem Abstand vom Lichtleiter kann dagegen eine zunehmende Entmischung des Lichtkegels beobachtet werden. Der Lichtleiter weist beispielsweise einen Querschnitt in der Form eines geradzahligen Vieleckes auf. Er hat insbesondere gerade verlaufende Teilfläche, die sich von einem Lichteingang zu einem Lichtausgang erstrecken. Auch ein Lichtleiter kann mit Halteelementen 12 versehen sein, die sich auf Seite des Lichtausgangs seitlich von dem Grundkörper weg erstrecken und in einem Abstand vom Grundkörper in einer stützenartigen Ausbildung in Richtung des Lichteingangs verlaufen. Der Grundkörper und die Halteelemente 12 sind bevorzugt aus ein und demselben Material und besonders bevorzugt einstöckig ausgebildet.
In Figur 40 ist voranschaulicht, welchen Einfluss die Halteelemente 12 auf die Strahlungsemissionen aus dem Lichtleiter haben. Es ist die Lichtstärkeverteilung in Abhängigkeit vom Abstand zur optischen Achse des Lichtleiters aufgetragen, wobei die durchgezogene Linie eine Messung der Strahlungsintensität in einem Lichtgang hinter dem Lichtleiter ohne Halteelemente darstellt, wie er beispielsweise in Figur 37 dargestellt ist, und die gestrichelte Linie eine Messung der Leuchtdichte bei der Verwendung eines Lichtleiters mit Halteelementen 12 wie er in Figur 39 dargestellt ist, wiedergibt. Die Kurven lassen keinen signifikanten Einfluss der Halteelemente 12 auf die Strahlungsauskopplung aus dem zum Mischen verwendeten Lichtleiter erkennen.
Ein Mischer mit Halteelementen ist auch in Figur 36 dargestellt. Bei dem in Figur 35 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Lichtleiter 1 eine würfelartige Form auf. Bei diesem optischen Element erstrecken sich Halteelemente in der Nähe des Lichteingangs von dem Grundkörper des Lichtleiters weg, im Unterschied zu den vorhergehend diskutierten Beispielen.
Während die in den Figuren 14 bis 16, 18, 19, 28, 33c und 36 dargestellten Lichtquellen 2 Gegenstecker 25 zum elektrischen Anschließen der Lichtquellen mittels eines entsprechenden Steckers aufweisen, umfassen die in den Figuren 20 und 21 dargestellten Lichtquellen 2 stattdessen einen Mehrzahl elektrischer Kontaktpins 29, die jedoch ebenfalls geeignet sind, um die Lichtquelle 2 mit einem oder mehreren entsprechenden Steckern elektrisch anzuschließen.
Eine weitere Variante ist in den Figuren 22a bis 23 sowie 35 dargestellt. Bei den in diesen Figuren dargestellten Lichtquellen 2 ist es vorgesehen, diese über elektrische Kontaktflächen 291 elektrisch leitend anzuschließen. Dies erfolgt beispielsweise mittels Löten.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung beschriebenen Merkmale und Elemente sind nicht auf eine Verwendung in einer Projektionseinrichtung beschränkt, obwohl sie insbesondere in einer Projektionseinrichtung synergetisch zusammenwirken. Die verschiedenen Merkmale und Elemente können jeweils für sich eine eigene Erfindung darstellen und für Verwendungen in unterschiedlichen anderen Bereichen geeignet sein. So können die Lichtquellen 2 beispielsweise auch für Scheinwerferapplikationen oder für Allgemeinbeleuchtung verwendet werden. Die optischen Elemente können als solche bereits eine eigene Erfindung sein und zu verschiedenen Zwecken verwendet werden. Das Gleiche gilt für die Anordnung und Verwendung von Lumineszenzkonversionselementen oder den Aufbau der Träger für die Lichtquellen, für die Chipgehäuse, die Anordnung der Lumineszenzdiodenchips in der Lichtquelle oder die Anordnung der optischen Elemente .
Mögliche Kombinationen von Merkmalen sind auch nicht durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele auf die darin angegebenen Kombinationen beschränkt. Die Erfindung umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Projektionseinrichtung mit einem Lichtraodulator, der einen Lichtempfangsbereich mit einer auszuleuchtenden Querschnitts- fläche der Größe AM und einem maximalen Akzeptanzwinkel α für einfallendes Licht aufweist, und mindestens einer Lichtquelle, mittels der bei ihrem Betrieb ein Lichtkegel zum Ausleuchten der Querschnittsfläche des Lichtempfangsbereichs erzeugt wird und die eine Anzahl N von Lumineszenzdiodenchips mit einer Strahlungsauskoppelfläche der Größe AD und einem maximalen Abstrahlwinkel ß aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lichtweg zwischen den Lumineszenzdiodenchips und dem Lichtmodulator mindestens ein optisches Element angeordnet ist, in dem Lichtweg zwischen den Lumineszenzdiodenchips und dem optischen Element ein Spalt besteht, der mit einem Gas gefüllt ist,
- die Strahlungsauskoppelfläche AD der Lumineszenzdiodenchips frei von einem Koppelmedium ist, und
- 0,7*(AM * sin2 (α) ) /(AD * sin2(ß) * n2)< N < 1,3* (AM * sin2 (α) ) /(AD * sin2(ß) * n2) , wobei n=l.
2. Projektionseinrichtung mit einem Lichtmodulator, der einen Lichtempfangsbereich mit einer auszuleuchtenden Querschnitts- fläche der Größe AM und einem maximalen Akzeptanzwinkel α für einfallendes Licht aufweist, und mindestens einer Lichtquelle, mittels der bei ihrem Betrieb ein Lichtkegel zum Ausleuchten der Querschnittsflache des Lichtempfangsbereichs erzeugt wird und die eine Anzahl N von Lumineszenzdiodenchips mit einer Strahlungsauskoppelfläche der Größe AD und einem maximalen Abstrahlwinkel ß aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lichtweg zwischen den Lumineszenzdiodenchips und dem Lichtmodulator mindestens ein optisches Element angeordnet ist, die Strahlungsauskoppelfläche AD der Lumineszenzdiodenchips mit einem Koppelmedium versehen ist,
- 0,7* (AM * sin2 (α)) /(A0 * sin2(ß) * n2)< N < 1,3* (AM * sin2 (α) ) / (AD * sin2(ß) * n2) , wobei n gleich dem Brechungsindex eines Materials des Koppelmediums ist.
3. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenzdiodenchips eine Dünnfilmschicht mit einer elektromagnetische Strahlung emittierenden aktiven Zone aufweisen, die im wesentlichen frei von einem Aufwachssubstrat ist und auf einer von einer Hauptabstrahlfläche abgewandten Seite mit einem Reflektor versehen ist.
4. Projektionseinrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche AM des Lichtempfangsbereichs des Lichtmodulators eine Länge 1M und eine Breite bM aufweist, die Hauptabstrahlfläche der Dünnfilmschicht eine Länge 1D und eine Breite bD aufweist, die Lumineszenzdiodenchips in einer Matrix mit x Zeilen und y Spalten angeordnet sind, wobei 0,7 * (1M * sin(α))/(lD * sin(ß) * n) < x < 1,3 * (1M * sin(α))/(lD * sin(ß) * n) und
0,7 * (bM * sin(α))/(bD * sin(ß) * n) < y < 1,3 * (bM * sin (α) )/(bD * sin(ß) * n) .
5. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mögliche Werte für die Anzahl N bzw. für die Anzahl x oder y gleich dem auf eine angrenzende ganze Zahl auf- oder abgerundeten entsprechenden Quotienten (AM * sin2 (α) ) /(An * sin2(ß) * n2) , (1M * sin(α) ) / (In * sin(ß) * n) bzw. (bM * sin(α))/(bD * sin(ß) * n) sind.
6. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mögliche Werte für die Anzahl N bzw. für die Anzahl x oder y gleich dem auf eine angrenzende gerade Zahl auf- oder abgerundeten entsprechenden Quotienten sind.
7. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptabstrahlfläche der Lumineszenzdiodenchips eine im wesentlichen rechteckige Form aufweist.
8. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Lumineszenzdiodenchips gemeinsam ein optisches Element zugeordnet ist .
9. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenzdiodenchips in mindestens zwei Gruppen unterteilt sind, denen jeweils ein eigenes optisches Element zugeordnet ist.
10. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Teil der Lumineszenzdiodenchips ein Lumineszenzkonversionselement nachgeordnet ist.
11. Projektionseinrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass verschiedenen Lumineszenzdiodenchips der Lichtquelle unterschiedliche Lumineszenzkonversionsmaterialien nachgeordnet sind.
12. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element in der Art eines nichtabbildenden optischen Konzentrators ausgebildet ist, der, verglichen mit einer üblichen Verwendung eines Konzentrators, für eine Durchstrahlung in umgekehrter Richtung vorgesehen ist.
13. Projektionseinrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , dass das optische Element ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger Konzentrator ist .
14. Projektionseinrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass reflektierende Flächen des optischen Elements teilweise oder vollständig als Freiformflächen ausgebildet sind.
15. Projektionseinrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element Seitenwände aufweist, die einen Strahlungseingang mit einem Strahlungsausgang verbinden und άie derart ausgebildet sind, dass auf den Seitenwänden verlaufende direkte Verbindungslinien zwischen dem Strahlungsein- und dem Strahlungsausgang im wesentlichen gerade verlaufen.
16. Projektionseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einen Grundkörper aufweist, der einen Hohlraum definiert und dessen Innenwand zumindest für einen spektralen Teilbereich des von der Lichtquelle emittierten Lichts reflektierend ist.
17. Projektionseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element in der Art eines dieelektrischen Konzentrators ausgebildet ist, dessen Grundkörper ein Vollkörper mit einem dieelektrischen Material von geeignetem Brechungsindex ist, so dass in das optische Element eingekoppeltes Licht durch Totalreflexion an seitlichen Grenzflächen des Vollkörpers zum umgebenden Medium, die den Strahlungseingang mit dem Strahlungsausgang verbinden, reflektiert wird.
18. Projektionseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einen Strahlungsausgang mit einer linsenartig gewölbten Grenzfläche aufweist.
19. Projektionseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element als ein Lichtleiter mit konstanter Querschnittsfläche oder mit sich zum Lichtausgang hin vergrößernder Querschnittsfläche zum Mischen von Licht ausgebildet ist oder dem optischen Element mindestens ein derartiger Lichtleiter im Strahlengang nachgeordnet ist.
20. Projektionseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element als ein Lichtleiter mit sich zum Lichtausgang hin verkleinernder Querschnittsfläche zum Mischen von Licht ausgebildet ist oder dem optischen Element mindestens ein derartiger Lichtleiter im Strahlengang nachgeordnet ist.
21. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil benachbarter Lumineszenzdiodenchips oder alle benachbarten Lumineszenzdiodenchips zueinander einen Abstand von kleiner als oder gleich 300 μm und größer als oder gleich 0 μm aufweisen.
22. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil benachbarter Lumineszenzdiodenchips oder alle benachbarten Lumineszenzdiodenchips einen Abstand von kleiner als oder gleich 100 μm und größer als oder gleich 0 μm aufweisen,
23. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element auf einer Seite, an der es einen Strahlenausgang aufweist, einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
24. Projektionseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element entlang einer ersten Ebene einen ersten maximalen Abstrahlwinkel und entlang einer zweiten Ebene einen zweiten maximalen Abstrahlwinkel aufweist, der sich von dem ersten maximalen Abstrahlwinkel unterscheidet.
25. Projektionseinrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , dass der erste maximale Abstrahlwinkel zwischen einschließlich 10° und einschließlich 13° und der zweite maximale Abstrahlwinkel zwischen einschließlich 13° und einschließlich 18° beträgt.
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