WO2022248562A1 - VERBESSERTE µLED-PROJEKTIONSVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG - Google Patents

VERBESSERTE µLED-PROJEKTIONSVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG Download PDF

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WO2022248562A1
WO2022248562A1 PCT/EP2022/064227 EP2022064227W WO2022248562A1 WO 2022248562 A1 WO2022248562 A1 WO 2022248562A1 EP 2022064227 W EP2022064227 W EP 2022064227W WO 2022248562 A1 WO2022248562 A1 WO 2022248562A1
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light
leds
projections
led
collecting structure
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PCT/EP2022/064227
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Philip Pikart
Sergey Khrushchev
Christian Gammer
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Ams-Osram International Gmbh
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    • H01L27/156—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars two-dimensional arrays

Definitions

  • the invention is based on a conventional m-LED projection device, ie a projection device with known very small light-emitting diodes (m-LEDs below, light-emitting diodes).
  • m-LEDs in the consumer sector are not yet often used for projection applications. Instead, other techniques such as DLP ("digital light processing") or LCD (transmitted or reflective) technology, which use conventional LEDs, are mainly used.
  • DLP digital light processing
  • LCD transmissive or reflective
  • DLP Digital Light Processing
  • the light is projected onto the projection surface via a DMD ("Digital Micromirror Device"), which is a chip on which up to 2.2 million microscopically smaller, right-angled arrays are located Each mirror is attached to a joint and can thus be rotated towards or away from the light source.
  • DMD Digital Micromirror Device
  • the mirror array is sequentially treated with the three primary colors R, G and B illuminated and the resulting images superimposed on the projection screen.
  • a white light source is often shined onto the DMD through a rapidly spinning "ColorWheel," which has three distinct segments that each transmit light of a specific color (red, green, or blue).
  • the rotation is synchronized with the tilting of the micromirrors in such a way that the desired image of the individual color is generated.
  • the second widespread projection technology besides DLP is the LCD technology.
  • LCD projectors generate their image with the help of transparent liquid crystal displays (as the name "LCD", Liquid Crystal Display, yes already says). They work like a conventional slide projector.
  • the LCD projectors have one or three built-in LCDs (one for each RGB color). Depending on the electrical field applied, the orientation of the crystals of the LCD changes, allowing more or less light through. Since LCD displays are comparatively cheap today, each basic color (red, green, blue) gets its own display. This means that there is no time-delayed projection of the primary colors (no rainbow effect). The three light beams exit the projector's lens system simultaneously via a dichroic mirror.
  • a variant of this uses reflective LCDs. With these, the fact that the polarization of the light changes during reflection can be used to decouple the light.
  • US 2004145 706 A1 shows such Modification of the principle outlined above with share in the design of the optical path.
  • More and more projection applications are also being used in the automotive sector, for example in dynamic interior projections such as so-called “head-up displays” or dynamic "welcome light” outdoors.
  • dynamic interior projections such as so-called “head-up displays” or dynamic "welcome light” outdoors.
  • certain disadvantages of conventional white light projectors come into play here;
  • the classic bright light sources such as light bulbs are relatively sensitive to vibrations, and the mechanical components such as color wheels are also loud, which can be problematic in the luxury automobile sector and with regard to quieter interiors, especially in future electric vehicles.
  • such a structure is relatively large because either three beam paths for three LCDs and the recombination of the same or space for the color wheel must be provided, so that a reduction in size encounters prin zip-related difficulties.
  • the pLEDs are arranged as a matrix or array, and the LED chips themselves have an edge length in the range of pm (millionths of a meter).
  • the pixel spacing (pitch) is, for example, a few pm to a few 10 pm.
  • Such a matrix can consist of RGB LEDs, but a single-color (monochromatic) matrix is also conceivable for other applications.
  • GaN-LEDs gallium nitride-based light-emitting diodes
  • cone-shaped patterned sapphire silicon arrays patterned sapphire with silica array, PSSA
  • the light output of the LEDs could be increased by 16.5%, since light would otherwise be emitted backwards in the optical path Light that was reflected by the PSS structures could be better used.
  • the object of the present invention is to create a further improved projection device for LEDs, in particular micro-LED arrays.
  • the use of the invention is not limited to micro-LEDs.
  • An inventive projection device for LED arrays comprises an LED array on which, for example, numerous micro-LEDs are net angeord at regular intervals, and spaced from the LED array projection onsoptik that is capable of receiving light emitted by the array and on a to project onto the projection surface.
  • the projection device according to the invention also includes a light-collecting structure with individual projections, the projections being optically coupled to individual LEDs of the LED array in such a way that they restrict the angular space of a light emitted by the individual LED and/or make the emission more uniform .
  • Such a projection device comprises a light-collecting structure, which as a rule sits directly on the (micro)LEDs and collects practically all of the light emitted from the individual LEDs or LED arrays, eg RGB arrays of LEDs.
  • This structure thus reduces the angle of radiation before the light is coupled into the projection optics. This results in a greater light yield, so that an LED projection becomes brighter and therefore possible for many applications.
  • the light-gathering structure can be manufactured with high precision and at low cost using well-known methods such as photochemical etching.
  • this structure has a very short structure in the optical path, so that a corresponding project tion optics can be set up much more compactly.
  • the structure according to the invention enables the use of LEDs for bright projectors, these can also be built more easily compared to the prior art. Only one LED array is required compared to the three LCDs or DMD and color wheel described for the prior art, which is why neither precise synchronization of mechanical components (color wheel and DMD) nor precise alignment and synchronization of three optical paths ( by three LCDs) to each other is required.
  • the arrangement according to the invention can therefore be installed in more cost-effective and yet powerful projection optics.
  • the light-collecting structure particularly preferably has conical projections.
  • the top surface of the conical projections is thereby coupled to an LED or part of the array, which emits a point of light of the image to be projected.
  • the projections are conical, i.e. shaped like a cone, the light from an LED or an array of several LEDs can be expanded under the cone to form a wider point of light. This makes it possible to make the distances between the LEDs for jumper wires and the like completely invisible in the image in front of the projection optics.
  • Such a cone works in the same way as a taper in fiber optics when connecting two fibers of different thicknesses. It is particularly advantageous that the necessary distances between the LEDs can remain relatively large without impairing the quality of the image.
  • the projection device is arranged in a medium with a lower refractive index than the refractive index of the light-collecting structure, for example in air or water, which has a lower refractive index than the typical refractive index of about 1.5 for silicon oxide, and to which the cone angles are adjusted accordingly to the maximum beam angle of the associated LEDs, the entire light of the LEDs is kept in the cone by total reflection and goes to the exit surface of the light-collecting structure opposite the LED.
  • the cones can also be provided with a mirror coating on the outside, for example by vapor deposition or sputtering, to ensure that even in undefined surroundings all of the coupled light exits the light-collecting structure on the side opposite the LED and can be used for the projection is. Both options allow the light output to be further optimized.
  • a projection or taper can cover one (micro)LED or several (micro)LEDs in such a way that it is coupled thereto.
  • a protrusion covers multiple LEDs, it is preferable that for colored arrays (eg, red, green, and blue LED arrays) each cover an array of LEDs giving an overall white light.
  • a point of any color and with optimum brightness can be generated for each projection from the light-collecting structure and imaged by the projection device.
  • single-color LED arrays such an arrangement has the advantage that the brightness can be regulated in stages by switching LEDs on or off is, in addition to (conventional) regulation, for example via pulse width modulation.
  • the projections of the light-collecting structure should lie flat on the flat surfaces of the LEDs of the corresponding array in order to achieve ideal coupling.
  • the light-collecting structure it is also conceivable for the light-collecting structure to have a curved and therefore optically effective surface in order to collect the rays emanating from the associated LEDs or to otherwise provide an imaging stage at this point. In this way, too, under certain circumstances, the light output can be further increased.
  • FIG. 1 shows an example of a conventional LED array that can be used in an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows an example of a light-collecting structure according to the invention on individual m-LEDs of an m-LED array from FIG. 1; 3 shows a basic mode of operation of the structures for improving the optical decoupling; and 4a to 4d possible forms of the light-collecting structure according to further embodiments.
  • FIG. 1 shows an example of a micro-LED array or m-LED array as an example of an LED array 2 (hereinafter referred to as: array) for use in a projection device according to the invention.
  • array an LED array 2
  • a colored array is used in which LEDs of the three primary colors red (R), green (G) and blue (B) are arranged in a predetermined pattern.
  • R red
  • G green
  • B blue
  • hatching from bottom left to top right is chosen as the symbol for red light
  • hatching from top left to bottom right for blue light hatching from top left to bottom right for blue light
  • cross-hatching for green light for representation in black and white
  • Such an array emits colored light so that a bright image can be generated directly.
  • Many flat screens use analog arrangements not only with micro LEDs, but also with conventional LEDs or OLEDs (organic LEDs). The possible arrangements of the LEDs are comparable, even if the standards are different. Therefore, the possible configurations of colored LEDs (or m-LEDs or micro-LEDs) are well known and will not be described. Of course, single-color m-LED arrays could also be used for simple projections.
  • Fig. 2 shows an example of a light-collecting structure according to the invention using the example of a PSS (patterned sapphire substrates) or PSSA (patterned sapphire with silica array) structure 2.
  • PSS patterned sapphire substrates
  • PSSA patterned sapphire with silica array
  • This method per se is known from semiconductor production and it is also possible to carry out several coating, exposure and etching steps in order to create more complex geometries.
  • High-precision structures can be created in this way.
  • the aim is to form structures in such a way that the finished substrate has projections 3 that match the micro-LEDs on the m-LED array 2 .
  • the light-collecting structure 2 is optically coupled to the m-LED array 2, ie, in the simplest case, they are placed one on top of the other and pressed together (for example with external clamps or the like). Alternatively, cementing or some other form of assembly is also possible.
  • the alignment of the array and the light-collecting structure is crucial in such a way that each protrusion is optically coupled to the associated m-LED.
  • a corresponding orientation can be achieved, for example, by mating projections and depressions being provided in the components 2 and 2 outside of the optically effective surface Lay one on top of the other and align the light-collecting structure 2 and the m-LED array 2 with each other.
  • a projection 3 of the light-collecting structure then lies on an m-LED of the array 2, so that they are optically coupled to one another.
  • Fig. 2 by two exemplary beams, light emitted upwards in any direction in the hemisphere, which is represented by bent arrows in the figure, is collected by total reflection in the projection 3, which is tapered (conical) in this case, and goes to the projection optics 4 delivered.
  • FIG. 3a shows a PSS structure used as a reflective light-collecting structure.
  • an LED with n- and p-doped GaN layers is applied to a PSS.
  • the light emerging from the active layer between the p- and n-doped layer is initially radiated in all directions, but is reflected at the patterns in such a way that the angle of radiation is restricted, as can be seen from the comparison of the angle 6 C PSS (as the angle of radiation without a special patterned structure) and 6 C CSS (as the Ab beam angle with the patterned PSS structure shown) in Fig. 3b becomes clear, the quasi-three-dimensional illustrates the rays shown in Figure 3a emanating from a particular point. It should be noted that the refraction of the rays at the transition from the LED to air was neglected in FIG independent of the effects relevant here.
  • FIG. 4a to 4d again illustrate, as described above, an example of shapes of projections of a PSS structure that can be produced by lithography and subsequent etching as a light-collecting structure.
  • a photoresist 6 is applied and exposed in a structured manner, and then by removing the unexposed parts of the photoresist 6 along with etching, a (here tapered) structure of projections of the sapphire substrate is produced 5 he testifies (Fig. 4 b and 4c).
  • FIG. 4d can be produced, for example, which is then placed on a micro-LED array as illustrated in FIG. 2 in order to produce the projection device according to the invention.
  • these structures can be produced with high precision and quality in an easily controllable form, which means that they can be easily adapted to the geometry requirements determined by optics.
  • the surface that the LED rests on is a flat surface.
  • the light-collecting structure in such a way that for example, protrudes into the spaces between the micro-LEDs of the micro-LED array 2 and completely surrounds the LEDs 2a, 2Jb, 2c. This could enable even better coupling of the emitted light, and it can also simplify the alignment of the two components with one another.
  • the surface of the light-collecting structure that is coupled to the micro-LEDs 2a, 2Jb, 2c can also be curved in order to already act as a "first lens". The light yield of the projection device can also be further increased in this way.
  • the corresponding The configuration of the surface of the light-collecting structure 2 that is coupled to the micro-LEDs 2a, 2Jb, 2c is therefore not limited to the planar surface shown in the exemplary embodiment, but can be adapted depending on the application.
  • Micro LEDs red, blue, green
  • PSS structure light-gathering structure

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Abstract

Die Erfindung schafft eine Projektionsvorrichtung für LED-Arrays mit einem LED-Array (1), auf dem zahlreiche Mikro-LEDs (1a, 1b, 1c) in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, einer vom LED-Array (1) beabstandeten Projektionsoptik (4), die dazu fähig ist, vom Array (1) ausgesendetes Licht aufnehmen und auf eine Projektionsfläche zu projizieren, und einer lichtsammelnden Struktur (2) mit einzelnen Vorsprüngen (3). Erfindungsgemäß werden die Vorsprünge (3) optisch derart auf einzelne LEDs (1a, 1b, 1c) des LED-Arrays (1) gekoppelt, dass sie den Winkelraum eines von der einzelnen LED (1a, 1b, 1c) abgestrahlten Lichts einschränken und/oder die Abstrahlung vergleichmäßigen. Eine Herstellung der Projektionsvorrichtung wird ebenfalls erläutert.

Description

VERBESSERTE m- LED -PROJEKT IONSVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU
IHRER HERSTELLUNG
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2021 113 695.4 vom 27. Mai 2021, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezug nahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Die Erfindung geht aus von einer herkömmlichen m-LED- Projektionsvorrichtung, also einer Projektionsvorrichtung mit bekannten sehr kleinen Licht emittierenden Dioden (im Folgenden m-LEDs, light emitting diodes).
Herkömmlich werden m-LEDs im Consumerbereich noch nicht häufig für Projektionsanwendungen eingesetzt. Stattdessen kommen vorwiegend andere Techniken wie die DLP („digital light processsing") -Technik oder die (Durchlicht- oder reflexive) LCD-Technik zum Einsatz, die herkömmliche LED einsetzen.
Bei der DLP (Digital Light Processing)-Technik wird das Licht über einen DMD („Digital Micromirror Device") auf die Projektionsfläche abgebildet, dabei handelt es sich um einen Chip auf dem sich bis zu 2,2 Millionen recht winklig angeordneter, mikroskopisch kleiner Spiegel be finden. Mit Hilfe einer winzigen Elektrode unter dem je weiligen Spiegel werden diese bewegt. Jeder Spiegel ist auf einem Gelenk angebracht und kann so zur Lichtquelle hin oder von der Lichtquelle weg gedreht werden.
Zur Erzeugung von farbigen Darstellungen wird das Spie- gelarray zeitlich sequenziell mit den drei Grundfarben R, G und B beleuchtet und die sich daraus ergebenden Bilder auf der Projektionsfläche überlagert. Um das zu errei chen, strahlt häufig eine Weißlichtquelle durch ein schnell drehendes „ColorWheel" bzw. Farbrad, das drei un- terschiedliche Segmente aufweist, die jeweils Licht einer bestimmten Farbe (Rot, Grün oder Blau) durchlassen, auf den DMD. Die Drehung wird mit dem Kippen der Mikrospiegel so synchronisiert, dass jeweils das gewünschte Bild der Einzelfarbe erzeugt wird. Die zweite weitverbreitete Projektionstechnik neben DLP ist die LCD-Technik. LCD-Projektoren erzeugen ihr Bild mit Hilfe von transparenten Flüssigkristalldisplays (wie der Name „LCD", Liquid Crystal Display, ja schon sagt). Sie funktionieren vergleichbar wie ein herkömmlicher Dia- projektors. Mit einem Unterschied - statt des Dias haben die LCD-Projektoren ein bzw. drei (für jede RGB-Farbe ei nes) LCDs eingebaut. Je nach angelegtem elektrischem Feld verändert sich die Ausrichtung der Kristalle des LCDs und lässt so mehr oder weniger Licht durch. Da LCD-Displays heute vergleichsweise günstig sind, bekommt jede Grund farbe (Rot, Grün, Blau) ein eigenes Display. Das bedeu tet, dass es hier keine zeitversetzte Projektion der Grundfarben (keinen Regenbogeneffekt) gibt. Die drei Lichtstrahlen verlassen gleichzeitig über einen dichroi- tischen Spiegel das Linsensystem des Projektors.
Eine Variante davon nutzt reflexive LCDs. Bei diesen kann zum Auskoppeln des Lichts ausgenutzt werden, dass sich die Polarisation des Lichts bei Reflexion ändert. Bei spielsweise zeigt die US 2004145 706 Al eine derartige Abwandlung des vorstehend dargestellten Prinzips mit Vor teilen bei der Gestaltung des optischen Wegs.
Auch im Automotive-Bereich kommen mehr und mehr Projekti onsanwendungen zum Einsatz, beispielsweise in dynamischen Innenprojektionen wie sogenannten „HeadUp-Displays" oder dynamischem „Welcome-Light" im Außenbereich. Hier kommen jedoch bestimmte Nachteile herkömmlicher Weißlichtprojek toren zum Tragen; so sind die klassischen hellen Licht quellen wie Glühbirnen relativ vibrationsempfindlich, zu- dem sind die mechanischen Bauteile wie Farbräder auch laut, was gerade im Luxusautomobilbereich und im Hinblick auf geräuscharmere Innenräume besonders in zukünftigen Elektrofahrzeugen problematisch sein kann. Darüber hinaus ist ein derartiger Aufbau relativ groß, weil entweder drei Strahlengänge für drei LCDs sowie die Rekombination derselben oder der Platz für das Farbrad vorgesehen sein müssen, so dass eine Reduzierung der Baugröße auf prin zipbedingte Schwierigkeiten stößt.
Bei allen diesen Verfahren wird weißes Licht in Grundfar- ben (in der Regel Rot, Grün und Blau) aufgespalten und dann je nach Grundfarbe und gewünschtem Bild entweder zur Projektionsfläche durchgelassen oder abgeblockt bzw. (bei DMD) aus dem Projektionsstrahlengang gelenkt (und an schließend absorbiert), um das gewünschte Bild zu erzeu- gen. Somit sind diese Systeme subtraktive Systeme, die das erzeugte Licht konstruktionsbedingt nicht vollständig nutzen können. Mit anderen Worten muss Licht absorbiert werden, um dunkle/schwarze Pixel darzustellen. Als Alternative sind LED-Arrays vorstellbar, wie sie bei spielsweise Grundlage für herkömmliche Flachbildschirme bilden. Neuere Entwicklungen können die LEDs weiter ver kleinern, so dass man von pLEDs oder Mikro-LEDS spricht. Die pLEDs sind dabei als Matrix bzw. Array angeordnet, und die LED Chips selbst haben eine Kantenlänge im Be reich von pm (millionstel Metern). Der Pixelabstand (Pitch) beträgt z.B. wenige pm bis einige 10pm. Eine der artige Matrix kann aus RGB-LEDs bestehen, es ist jedoch für andere Anwendungen auch eine einfarbige (monochroma tische) Matrix denkbar.
Diese p-LEDs weisen jedoch in herkömmlichen Aufbauten ei ne zu geringe Helligkeit auf, weil sie in einen weiten Halbraumwinkel abstrahlen, so dass eine nachgeschaltete herkömmliche Abbildungsoptik nicht ausreichend Licht auf nehmen und projizieren kann.
Andererseits ist bekannt, LEDs zur Verbesserung der opti schen Auskopplung mit lichtsammelnden Strukturen zu kom binieren. Beispielsweise erläutern S. Lan, B. Tang, H. Hu, und S. Zhou in "Strategically constructed patterned sapphire with silica array to boost Substrate performance in GaN-based flip-chip visible light-emitting diodes, " Opt. Express 28, 38444-38455 (2020), die Effizienz von
GaN-LEDs (Leuchtdioden auf Galliumnitridbasis) zu erhö- hen, indem man kegelförmig gemusterte Saphir-Silizium- Arrays (patterned sapphire with silica array, PSSA) als Basis nutzt, auf denen die LEDs aufgebaut werden. Dadurch konnte die Lichtausbeute der Leds um 16,5% erhöht werden, indem sonst im optischen Weg nach hinten abgestrahltes Licht, das an den PSS-Strukturen reflektiert wurde, bes ser genutzt werden konnte.
Tsou, Chingfu & Chang, Chunming & Lai, Tenghsien & Huang, Chenghan. (2013) beschreiben in „The implementation and performance evaluation of a silicon-based LED packaging module with lens configuration. ", Microsystem Technolo gies. 19. 10.1007/s00542-013-1773-4, ein Transfergießver fahren für siliziumbasierte LEDs mit einer asphärischen Linse und einer Mikrolinsenmatrix. Hierzu werden mikro- elektromechanische Techniken, also im Wesentlichen her kömmliche abtragende Techniken, allerdings im Miniatur maßstab, zum Herstellen einer Form eingesetzt. Diese Form wird dann durch Eindrücken auf Epoxid- und Silikongelhül len des Wafers übertragen, wodurch eine präzise und wie- derholbare Ausrichtung von Objektivaufbau und Reflektor zum Siliziumwafer erzielt wird. Die Erhöhung von Hellig keit und Füllfaktor mit nur einer asphärischen Linse wird im Vergleich zu einer unstrukturierten gekrümmten Fläche mit 16 bis 26 % angegeben. Zudem wird die Ausleuchtung vereinheitlicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wei ter verbesserte Projektionsvorrichtung für LEDs, insbe sondere Mikro-LED-Arrays, zu schaffen. Grundsätzlich ist der Einsatz der Erfindung jedoch nicht auf Mikro-LEDs be- schränkt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine LED- Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch 7. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung für LED- Arrays umfasst einen LED-Array, auf dem beispielsweise zahlreiche Mikro-LEDs in regelmäßigen Abständen angeord net sind, und eine vom LED-Array beabstandete Projekti onsoptik, die dazu fähig ist, vom Array ausgesendetes Licht aufnehmen und auf eine Projektionsfläche zu proji zieren. Die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung um- fasst weiterhin eine lichtsammelnde Struktur mit einzel nen Vorsprüngen, wobei die Vorsprünge optisch derart auf einzelne LEDs des LED-Arrays gekoppelt sind, dass sie den Winkelraum eines von der einzelnen LED abgestrahlten Lichts einschränken und/oder die Abstrahlung vergleichmä- ßigen.
Eine derartige erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung umfasst eine lichtsammelnde Struktur, die im Regelfall direkt auf den (Mikro-)LEDs aufsitzt und praktisch das gesamte abgestrahlte Licht aus den einzelnen LEDs oder LED-Arrays, z.B. RGB-Anordnungen von LEDs, sammelt. Damit verringert diese Struktur den Abstrahlwinkel, bevor das Licht in die Projektionsoptik eingekoppelt wird. Daher ergibt sich eine größere Lichtausbeute, so dass eine LED- Projektion heller und dadurch für viele Anwendungen erst möglich wird. Darüber hinaus ist die lichtsammelnde Struktur mit gut bekannten Verfahren, beispielsweise pho tochemischem Ätzen, hochgenau und kostengünstig herzu stellen. Zudem hat diese Struktur einen sehr kurzen Auf bau im optischen Weg, so dass eine entsprechende Projek- tionsoptik deutlich kompakter aufbaubar ist. Weil die er findungsgemäße Struktur den Einsatz von LEDs für helle Projektoren ermöglicht, können diese darüber hinaus im Vergleich zum Stand der Technik einfacher aufgebaut wer- den. So wird nur ein LED-Array im Vergleich zu den für den Stand der Technik beschriebenen drei LCDs oder DMD und Farbrad benötigt, weshalb weder eine präzise Synchro nisation mechanischer Komponenten (Farbrad und DMD) noch eine präzise Ausrichtung und Synchronisation dreier opti- scher Wege (durch drei LCDs) zueinander erforderlich ist. Daher kann die erfindungsgemäße Anordnung in kostengüns tigeren und dennoch leistungsfähigen Projektionsoptiken verbaut werden.
Besonders bevorzugt weist die lichtsammelnde Struktur ko- nische Vorsprünge auf. Die oberste Fläche der konischen Vorsprünge wird dabei mit einer LED bzw. einem Teil des Arrays gekoppelt, der einen Lichtpunkt des zu projizie renden Bildes ausstrahlt. Sind die Vorsprünge konisch, also kegelartig geformt, kann das Licht aus einer LED bzw. einem Array aus mehreren LEDs unter dem Konus zu ei nem breiteren Lichtpunkt aufgeweitet werden. Dadurch ist es möglich, die zwischen den LEDs für Schaltdrähte und dergleichen notwendigen Abstände bereits vor der Projek tionsoptik im Bild völlig unsichtbar zu machen. Ein sol- eher Konus funktioniert analog einem Taper in der Faser optik bei der Verbindung zweier Fasern unterschiedlicher Dicke. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass die nötigen Abstände zwischen den LEDs relativ groß bleiben können, ohne die Qualität der Abbildung zu beeinträchtigen. Wenn die Projektionsvorrichtung in einem Medium mit ge ringerer Brechzahl als der Brechzahl der lichtsammelnden Struktur angeordnet ist, beispielsweise in Luft oder Was ser, die eine geringere Brechzahl als die typische Brech- zahl von ungefähr 1,5 für Siliziumoxid aufweisen, und zu dem die Konuswinkel entsprechend an die maximalen Ab strahlwinkel der zugehörigen LEDs angepasst werden, wird das gesamte Licht der LEDs durch Totalreflexion im Konus gehalten und geht zur der LED gegenüberliegenden Aus- trittsfläche der lichtsammelnden Struktur. Alternativ kann man auch die Konen außen mit einer Verspiegelung versehen, beispielsweise durch Bedampfen oder Sputtern, um sicherzustellen, dass auch in unbestimmten Umgebungen das gesamte eingekoppelte Licht auf der der LED gegen- überliegenden Seite aus der lichtsammelnden Struktur aus- tritt und für die Projektion verwendbar ist. Durch beide Möglichkeiten lässt sich die Lichtausbeute weiter opti mieren.
Ein Vorsprung bzw. Taper kann eine (Mikro-)LED oder meh- rere (Mikro-)LEDs so bedecken, dass er damit gekoppelt ist. Wenn ein Vorsprung mehrere LEDs bedeckt, ist vorzu ziehen, dass bei farbigen Arrays (z.B. Arrays mit roten, grünen und blauen LEDs) jeweils eine LED-Anordnung be deckt, die insgesamt weißes Licht ergibt. In einem sol- chen Fall kann für jeden Vorsprung aus der lichtsammeln- den Struktur ein Punkt beliebiger Farbe und mit optimaler Helligkeit erzeugt und von der Projektionsvorrichtung ab gebildet werden. Bei einfarbigen LED-Arrays hat eine der artige Anordnung den Vorteil, dass die Helligkeit durch Zuschalten oder Abschalten von LEDs stufenweise regelbar ist, zusätzlich zur (herkömmlichen) Regelung beispiels weise über Pulsbreitenmodulation.
Üblicherweise dürften die Vorsprünge der lichtsammelnden Struktur plan auf den planen Oberflächen der LEDs des entsprechenden Arrays aufliegen, um eine ideale Einkopp lung zu erzielen. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die lichtsammelnde Struktur eine gekrümmte und dadurch optisch wirksame Oberfläche hat, um die von den zugehöri gen LEDs ausgehenden Strahlen zu sammeln bzw. anderweitig eine Abbildungsstufe bereits an dieser Stelle vorzusehen. Auch dadurch kann unter Umständen die Lichtausbeute wei ter erhöht werden.
Neben der Vorrichtung wird auch das Verfahren zur Her stellung der Vorrichtung mit den vorstehend genannten Merkmalen beansprucht.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines (von) Aus führungsbeispiels (Ausführungsbeispielen) näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für ein herkömmliches LED-Array, das in einer Ausführungsform der Erfindung einsetzbar ist;
Fig. 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße lichtsam melnde Struktur auf einzelnen m-LEDs eines m-LED- Arrays aus Fig. 1; Fig. 3 eine grundlegende Funktionsweise der Strukturen zur Verbesserung der optischen Auskopplung; und Fig. 4 a bis 4 d mögliche Formen der lichtsammelnden Struktur gemäß weiteren Ausführungsformen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein Mikro-LED-Array bzw. m- LED-Array als ein Beispiel eines LED-Arrays 2 (im Folgen den kurz: Array) zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung. In dieser Ausführungsform wird ein farbiges Array genutzt, in dem LEDs der drei Grund farben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) in einem vorab festgelegten Muster angeordnet sind. Zur Darstellung in Schwarzweiß wird hier als Symbol für rotes Licht eine Schraffur von links unten nach rechts oben gewählt, für blaues Licht eine Schraffur von links oben nach rechts unten, und für grünes Licht eine Kreuzschraffur.
Ein derartiges Array sendet je nach Ansteuerung farbiges Licht aus, so dass direkt ein helles Bild additiv erzeugt werden kann. Viele Flachbildschirme nutzen analoge Anord nungen nicht nur mit Mikro-LEDs, sondern auch mit her kömmlichen LEDs oder OLEDs (organischen LEDs). Die mögli chen Anordnungen der LEDs sind dabei vergleichbar, auch wenn die Maßstäbe verschieden sind. Daher sind die mögli- chen Anordnungen von farbigen LEDs (oder m-LEDs bzw. Mik ro-LEDs) gut bekannt und werden nicht beschrieben. Natür lich könnten für einfache Projektionen auch einfarbige m- LED-Arrays eingesetzt werden.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße lichtsammelnde Struktur am Beispiel einer PSS- (patterned saphire Substrate) bzw. PSSA- (patterned saphire with si- lica array) Struktur 2. Die Herstellung einer derartigen Struktur ist grundsätzlich bekannt (vgl. die als Stand der Technik genannten Artikel) und wird daher hier nur allgemein erläutert. Zunächst wird ein Saphirsubstrat mit einer Schutzschicht überzogen, beispielsweise aus SiCb. Auf diese Schicht wird ein Photoresistlack aufgetragen, der dann über eine Lithographieoptik mit einer gewünsch- ten Struktur belichtet wird. Anschließend werden unbe lichtete Teile des Lacks abgetragen und das freiliegende Si02 sowie die darunterliegende Saphirschicht weggeätzt. Dieses Verfahren an sich ist aus der Halbleiterfertigung bekannt und es ist auch möglich, mehrere Beschichtungs-, Belichtungs- und Ätzschritte auszuführen, um komplexere Geometrien zu erzeugen. Hochgenaue Strukturen können so erzeugt werden. Im vorliegenden Fall ist das Ziel, Struk turen derart auszubilden, dass das fertige Substrat Vor sprünge 3 aufweist, die zu den Mikro-LEDs auf dem m-LED- Array 2 passen. Das heißt, dass die Mittelpunkte der Vor sprünge der lichtsammelnden Struktur gleiche Abstände zu einander aufweisen wie die Mittelpunkte der Mikro-LEDs zueinander, anders gesagt, dass die Vorsprünge deckungs gleich zu den Mikro-LEDs sind. Im nächsten Schritt wird die lichtsammelnde Struktur 2 optisch mit dem m-LED-Array 2 gekoppelt, d.h. sie werden im einfachsten Fall aufeinandergelegt und (beispielsweise mit externen Klammern oder dergleichen) zusammengedrückt. Alternativ ist auch ein Verkitten oder eine andere Form des Zusammenbaus möglich. Entscheidend ist die Ausrich tung von Array und lichtsammelnder Struktur derart, dass jeder Vorsprung mit der zugehörigen m-LED optisch gekop pelt ist. Eine entsprechende Ausrichtung kann beispiels weise erreicht werden, indem außerhalb der optisch wirk- samen Fläche zueinanderpassende Vorsprünge und Vertiefun gen in den Bauteilen 2 und 2 vorgesehen werden, die beim Aufeinanderlegen ineinander passen und die lichtsammelnde Struktur 2 und das m-LED-Array 2 zueinander ausrichten.
Auf diese Weise liegt dann je ein Vorsprung 3 der licht sammelnden Struktur auf einer m-LED des Arrays 2, so dass diese optisch miteinander gekoppelt sind. Wie in Fig. 2 durch zwei beispielhafte Strahlen gezeigt, werden in be liebiger Richtung im Halbraum nach oben abgegebene Licht strahlen, die in der Figur durch geknickte Pfeile darge stellt sind, durch Totalreflexion im hier taperförmig (kegelförmig) gestalteten Vorsprung 3 gesammelt und zur Projektionsoptik 4 abgegeben.
Somit wird das gesamte vom m-LED-Array abgegebene Licht in der PSS-Struktur als der lichtsammelnden Struktur 2 aufgenommen und in das Projektionsobjektiv geschickt. Dadurch erreicht man eine wesentlich höhere Lichtausbeute als es ohne die lichtsammelnde Struktur 2 möglich wäre.
PSS-Strukturen werden im Stand der Technik zur Verbesse rung der optischen Auskopplung bei LEDs verwendet. Fig. 3a zeigt eine PSS-Struktur, die als reflexive lichtsam- melnde Struktur verwendet wird. Hier wird eine LED mit n- und p-dotierten GaN-Schichten auf einem PSS aufgebracht. Das aus der aktiven Schicht zwischen p-und n-dotierter Schicht entstehende Licht wird zunächst in alle Richtun gen abgestrahlt, jedoch an den Mustern derart reflek- tiert, dass der Abstrahlwinkel eingeschränkt wird, wie am Vergleich der Winkel 6C PSS (als dem Abstrahlwinkel ohne eine spezielle gemusterte Struktur) und 6C CSS (als dem Ab strahlwinkel mit der gezeigten gemusterten PSS-Struktur) in Fig. 3b deutlich wird, die quasi-dreidimensional die in Fig. 3a gezeigten Strahlen veranschaulicht, die von einem bestimmten Punkt ausgehen. Es sei angemerkt, dass die Brechung der Strahlen am Übertritt aus der LED in Luft in der Figur 3a vernachlässigt wurde, weil sie die Verringerung des Abstrahlwinkels nur mit einem festste henden Faktor abhängig von der Brechzahl der (hier p- dotierten) GaN-Fläche und unabhängig von den hier rele vanten Effekten beeinflusst.
Fig. 4a bis 4d veranschaulicht nochmals wie vorstehend beschrieben ein Beispiel für durch Lithographie und an schließendes Ätzen herstellbare Formen von Vorsprüngen einer PSS-Struktur als lichtsammelnder Struktur. Wie von oben nach unten zu erkennen ist, wird zunächst (Fig. 4 a) ein Photolack 6 aufgetragen und strukturiert belichtet, und anschließend wird durch Entfernen der unbelichteten Teile des Photolacks 6 nebst Ätzen eine (hier taperförmi- ge) Struktur von Vorsprüngen des Saphirsubstrats 5 er zeugt (Fig. 4 b und 4c). Als Endergebnis kann beispiel haft die in Fig. 4d gezeigte Struktur erzeugt werden, die dann wie in Fig. 2 veranschaulicht auf ein Mikro-LED- Array aufgesetzt wird, um die erfindungsgemäße Projekti onsvorrichtung zu erzeugen. Diese Strukturen lassen sich wie erwähnt mit hoher Präzision und Güte in gut kontrol lierbarer Form hersteilen, wodurch sie sich gut an die durch die Optik bestimmten Notwendigkeiten hinsichtlich der Geometrie anpassen lassen.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Beispiel gezeigt, bei dem die Fläche, die auf der LED aufliegt, eine plane Fläche ist. Es ist jedoch auch vorstellbar, die lichtsammelnde Struktur so herzustellen, dass sie beispielsweise in die Zwischenräume zwischen den Mikro LEDs des Mikro-LED-Arrays 2 hineinragt und die LEDs 2a, 2Jb, 2c vollständig umgibt. Dadurch könnte eine noch bes sere Einkopplung des abgegebenen Lichts ermöglicht wer- den, außerdem kann dies die Ausrichtung der beiden Bau teile zueinander vereinfachen. Zudem kann die mit den Mikro-LEDs 2a, 2Jb, 2c koppelnde Fläche der lichtsammeln- den Struktur auch gekrümmt sein, um bereits als eine „erste Linse" zu wirken. Auch auf diese Art kann die Lichtausbeute der Projektionsvorrichtung weiter erhöht werden. Die entsprechende Ausgestaltung der mit den Mik ro-LEDs 2a, 2Jb, 2c koppelnden Fläche der lichtsammelnden Struktur 2 ist somit nicht auf die im Ausführungsbeispiel gezeigte plane Fläche beschränkt, sondern kann je nach Anwendungsfall angepasst werden.
Sollte in einem Anwendungsfall erkannt werden, dass die Totalreflektion in der lichtsammelnden Struktur 2 nicht ausreichend wirkt und zu viel Licht bereits an der Außen fläche der Vorsprünge die lichtsammelnde Struktur ver- lässt, ist es auch möglich, diese Struktur zu verspie- geln, ähnlich wie im Beispiel aus dem Stand der Technik in Fig. 3a veranschaulicht. Dadurch kann noch mehr Streu licht gesammelt und genutzt werden BEZUGSZEICHENLISTE
Mikro-LED-Array 1
Mikro-LEDs (rot, blau, grün) la, lb, lc lichtsammelnde Struktur (PSS-Struktur) 2
Vorsprünge (Taper) 3
Projektionsoptik 4
PSS-Struktur 5
Photolack 6

Claims

ANSPRÜCHE
1. Projektionsvorrichtung für LED-Arrays mit einem LED-Array (1), auf dem zahlreiche Mikro LEDs (la, lb, lc) in regelmäßigen Abständen angeord- net sind, einer vom LED-Array (1) beabstandeten Projekti onsoptik (4), die dazu fähig ist, vom Array (1) aus gesendetes Licht aufnehmen und auf eine Projektions fläche zu projizieren, und einer lichtsammelnden Struktur (2) mit einzel nen Vorsprüngen (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (3) optisch derart auf einzelne LEDs (la, lb, lc) des LED-Arrays (1) gekoppelt sind, dass sie den Winkel- raum eines von der einzelnen LED (la, lb, lc) abge strahlten Lichts einschränken und/oder die Abstrah lung vergleichmäßigen.
2. Projektionsvorrichtung für LED-Arrays nach Anspruch
1, wobei die lichtsammelnde Struktur (2) konische
Vorsprünge (3) aufweist.
3. Projektionsvorrichtung für LED-Arrays nach Anspruch
2, wobei die Projektionsvorrichtung in einem Medium, vorzugsweise Luft, mit geringerer Brechzahl als jener der lichtsammelnden Struktur (2) angeordnet ist, und die Konuswinkel der Vorsprünge (3) derart auf die ma ximalen Abstrahlwinkel der LEDs (la, lb, lc) abge stimmte Kombinationen aus Kegelwinkel und Brechzahl aufweisen, dass das eingekoppelte Licht der LEDs (la, lb, lc) durch Totalreflexion in den Vorsprüngen (3) nur auf der den LED (la, lb, lc) gegenüberliegenden Seite aus der lichtsammelnden Struktur (2) austritt.
4. Projektionsvorrichtung für LED-Arrays nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtsammelnde Struktur (2) mehrere Mikro-LEDs (la, lb, lc), vorzugsweise mit unter schiedlicher Farbabstrahlung, optisch mit einem ge meinsamen Vorsprung (3) koppelt.
5. Projektionsvorrichtung für LED-Arrays nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle den LEDs (la, lb, lc) zugewandten
Flächen der lichtsammelnden Struktur (2) mit Ausnahme der Flächen, die mit den Mikro-LEDs koppelbar sind, mit einer spiegelnden Beschichtung versehen sind.
6. Projektionsvorrichtung für LED-Arrays nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den LEDs (la, lb, lc) koppelbare Fläche der Vorsprünge (2) eine Krümmung aufweist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Projektionsvorrichtung für LED-Arrays nach einem der vorhergehenden Ansprü che mit den Schritten
Bereitstellen eines LED-Arrays (1); Bereitstellen einer lichtsammelnden Struktur (2) mit Vorsprüngen (3), die zu LEDs (la, lb, lc) auf dem LED-Array (1) passen, und
Verbinden der lichtsammelnden Struktur (2) mit dem LED-Array (1) derart, dass jeder Vorsprung (3) mit mindestens einer LED (la, lb, lc) optisch gekop- pelt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, mit dem Schritt einer Fer tigung der Vorsprünge (3) in zum LED-Array (1) ko nisch zulaufender Form.
9. Verfahren nach Anspruch 8, mit den weiteren Schritten Anordnen der Projektionsvorrichtung in einem
Medium, vorzugsweise Luft, mit geringerer Brechzahl als jener der lichtsammelnden Struktur (2), und
Abstimmen der Konuswinkel der Vorsprünge (3) auf die maximalen Abstrahlwinkel der LEDs (la, lb, lc) und die Brechzahl des Materials der Vorsprünge
(3) derart, dass das eingekoppelte Licht der zugehö rigen LED (la, lb, lc) durch Totalreflexion in den Vorsprüngen (3) nur auf der der LED (la, lb, lc) ge genüberliegenden Seite aus der lichtsammelnden Struk- tur (2) austritt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, mit dem Schritt des Koppelns eines Vorsprungs mit mehreren zugehörigen Mikro-LEDs.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, mit dem weiteren Schritt des Verspiegelns aller dem Mikro-
LED-Array zugewandter Flächen der lichtsammelnden Struktur mit Ausnahme der Flächen, die mit den Mikro LEDs koppelbar sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, mit dem weiteren Schritt des Fertigens der Vorsprünge derart, dass die mit den Mikro-LEDs koppelbare Fläche der Vorsprünge eine Krümmung aufweist.
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