专利名称：集成光源模块的制作方法
集成光源模块
相关专未ll由i害的^V引田
本专利申请基于并要求提交于2006年8月1日的美国临时专利申请系列No. 60/838988、提交于2006年8月1日的美国临时专利申请系列No. 60/821032、以及提交于2006年7月31日的美国临时专利申请系列No. 60/820888的优先权，其内容在此全文以引用方式并入。
还参考了与此提交于同一天的共同转让的美国专利申请，名称为"LED Mosaic" (LED镶嵌体)(代理人案巻号62370US006);与此提交于同一天的美国专利申请，名称为"Combination Camera/ProjectorSystem"(照相机/投影机组合系统)(代理人案巻号62369US006);与此提交于同一天的美国专利申请，名称为"LED Source With HollowCollection Lens"(具有中空会聚透镜的LED源)(代理人案巻号62371US006);提交于2005年12月30日的美国专利申请序列号No.11/322,801， "LED With Compound Encapsulant Lens"(具有复合包封透镜的LED);与此提交于同一天的美国专利申请，名称为"OpticalProjection Subsystem "(光学投影子系统)(代理人案巻号63281US002);提交于2007年7月2日的美国专利申请序列No.11 〃72609， 名称为"LED Illumination System With PolarizationRecycling"(具有偏振循环利用的LED照明系统)；以及美国专利申请US2006/0091411 (Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package"(高亮度LED封装);US2006/0091798 (Ouderkirk等人)"HighBrightness LED Package With Compound Optical Element(s)"(具有复合光学元件的高亮度LED封装)以及US2006/0092532 (Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package With Multiple Optical Elements"(具有多个光学元件的高亮度LED封装)。
背景技术：
光源模块最广泛用于照明系统，其具有多种应用，包括投影显示
器、用于液晶显示器(LCDs)的背光源等等。投影系统通常包括光源、
照明光学器件、成像装置、投影光学器件和投影屏。照明光学器件收集来自于光源的光并以预定方式将其导向至一种或多种成像装置。由电子调解并处理过的数字视频信号控制的成像装置生成对应于视频信号的图像。随后投影光学器件放大图像并将其投影到投影屏上。结合彩色转盘的白光源(例如弧光灯)已经并且还将主要地用作投影显示
系统的光源。然而，最近由于发光二极管(LED)的较长的寿命、较高的效率和优越的热特性，它作为另外一种选择被引入。
LED通常包括装配在金属接头上的LED晶粒或芯片。该接头可配有反射杯，杯中装配LED晶粒，电引线连接到LED晶粒。 一些封装也可以包括模制的透明树脂，形成胶囊包封LED晶粒。胶囊包封树脂可以具有在局部使晶粒射出的光保持平行的标称的半球形前表面，或者
具有标称的平坦表面。此外，为了降低困在晶粒内部的光的量，可以将光学元件接触或接近LED晶粒的表面以从中耦合或"提取"光。
另外，可以在LED发光体上形成或布置提取结构以帮助耦合光从LED晶粒中出来，从而抑制光被困其中并被浪费。例如，使LED晶粒的发光表面变粗糙或在这种表面上抑制大量的小平面或其他结构(例如亚波长结构)可以用于提高从LED晶粒中的光提取。其他提取结构包括高提取光子晶体结构和线栅提取部件。还其他的提取结构包括玻璃或陶瓷提取器或提取器阵列，如在美国专利申请公布US2006/0091411 ( Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package (高亮度LED封装)"、US2006/0091798COuderkirk等人)"High BrightnessLED Package With Compound Optical Element(s)(具有复合光学元件的高亮度LED封装)"和US2006/0092532 (Ouderkirk等人)"HighBrightness LED Package With Multiple Optical Elements (具有多个光学元件的高亮度LED封装)"中所公开的。
6在固态照明元件、光学元件和显示器元件中的最新进展使得可以生成极小的、全彩色投影机。为了使这些彩色投影机足够小以复合在手机中，探究非常有效的并且紧凑的组合色彩的装置是必要的。存在两种产生彩色投影的占主要地位的方法。第一种方法，名为"色序"，使用二向色X管以叠加来自于各个红光源、绿光源和蓝光源的光并将这些色彩以特定的时序方式成像于单色微显示器上。第二种方法，名为"滤色"，要求将白光源用红色/绿色/蓝色滤光器成像于微显示器上。
上述讨论仅提供一般的背景信息，并非意图用作有助于确定受权利要求书保护的主题的范围。
发明内容
本发明提供一种光源模块，该光源模块包括具有至少一个发光表
面的发光体和装配在发光表面上方的至少部分中空的集成光学器件；其中中空区域内的折射率小于沿着光学路径的后续介质的折射率。集成光学器件具有面向发光表面的近端和背向发光表面的远端。集成光学器件的远端是平的并且具有不同于发光体纵横比的矩形纵横比。光学膜和/或例如会聚透镜的光学部件可以粘附到集成光学器件的远端。
提供本发明内容以引入简化形式的概念选择，这些概念在下面的具体实施方式
中进一步描述。本发明内容并非意图识别受权利要求书保护的主题的主要特征或本质特征，也非意图用其协助确定受权利要求书保护的主题的范围。
图1是光源模块的示意性侧视图，该光源模块包括根据一些本发明所公开的实施例的至少部分中空的集成光学器件的锥形柱积分器类型。
7图2A是图1中所示的发光体的示意性俯视图，示出纵横比。
图2B和2C分别是锥形柱积分器的仰视图和俯视图，示出纵横t匕
图3-6是图1中所示的光源模块的示意性侧视图，并且其示出另
外的结构和/或部件。
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光源模块的示意性侧视图。
图8-11是图7中所示的光源模块的示意性侧视图，并且其示出另
外的结构和/或部件。
图12是根据另一个本发明所公开的实施例的包括中空集成隧道型
集成光学器件的光源模块的示意性侧视图。
图13是包括集成隧道型光学器件的另一个光源模块实施例的示意
性侧视图。
具体实施例方式
除了其他之外，本发明所公开的实施例提供了用于将光从LED光源中提取出来的有效机制。如果需要，本发明所公开的实施例还可以用于组合来自于LED发光体的色彩。这些本发明所公开的实施例通过消除在色序方法中对X管的需要以及消除对变形透镜和菲涅耳透镜的
需要(它们已被传统地用于彩色投影的色序和滤色方法中)，允许更紧凑版本的色序和滤色技术。
另外，使用本文所公开的一些积分器柱/隧道技术，可以使用在晶粒的表面上具有提取结构的LED而不影响这些结构的预期的光提取功能。尽管提取结构没有在本公开的附图中详细示出，本文所公开的各实施例应该解释为可选地涵盖这些结构，尽管没有要求这些结构。
本发明所公开的设计在某种程度上与现有教导内容相反，现有教导内容中提高高折射率LED晶粒或芯片的提取效率的唯一方法为将其在具有最高的可用折射率(即，尽可能的接近LED晶粒的折射率)的介质中包封。采用该现有教导的LED光源的基本实例在美国专利申请名称为 "Light Emitting Diodes with Improved Light ExtractionEfficiency (具有改善光提取效率的发光二极管)"(US 2002/0030194Al)的现有技术图1A中示出。这种照明源包括以晶粒或芯片形式布置在金属接头上的LED发光体。引线键合提供到LED发光体的电连接。发光体键合到对于由活性区域发射的光具有优选地大于约1.5，更优选地大于约1.8的折射率的透明光学元件上。
如上所述，本发明所公开的实施例偏离传统的包封技术，并且相反利用在LED发光体和后续的光学器件之间的相对低折射率的介质或光学器件。该有益效果类似于在上述参考美国专利申请名称为"LEDSource with Hollow Collection Lens (具有中空会聚透镜的LED源)"，以及在美国专利申请系列No. 11/322,801名称为"LED With CompoundEncapsulant Lens (具有复合包封透镜的LED)"中所公开的那些，不同的是在本公开中还可以利用集成光学器件的另外有益效果。
在图1所示的一个实施例中，集成光学器件具有球形腔体，该球形腔体提供的有益效果是为引线键合或其他在LED表面上的凸起结构给出了空间，并且还有效地收集来自于LED的光，该LED具有对于空气界面工作良好的提取结构。使这种空气间隙遵循球形表面而不是平坦表面以最小化菲涅耳损耗(尤其是对于以非常高的角度出射LED的光线)通常是优选的。在这种情况下，对于以垂直角度入射的光线最小菲涅耳损耗发生。假设LED为朗伯曲线发光体，更多的出射晶粒至空气中的光线将会被球形表面捕获，因为更多的光线的走向将接近垂直的角度。
现参见本公开的附图，其中类似的参考标号指定类似的元件，图1示意性地示出本公开的照明系统的示例性实施例，其可以用于投影应用。在图1中所示的光源模块IO包括具有发光表面17的发光体15。发光表面17可以为或可以包括LED的发光表面 一层荧光粉或任何其他发光材料。发光体15布置在装配表面或基底25上，并且可以可选地具有布置在发光体15和表面25之间或其他地方的散热器20。尽管示出布置在发光体15和表面25之间，不是在所有实施例中需要散热器20，对于散热器也不是必须位于这个具体的位置。
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光体15的发光表面17上方。在该具体实施例中，集成光学器件是锥形的柱积分器。本文所述的大部分实例参照锥形柱积分器30和130(最初结合图7描述)。然而，这些仅为至少部分中空的集成光学器件的实例，并且还公开了这种光学器件的其他实例。例如，在图12中介绍的隧道积分器230是另一个这种集成光学器件。尽管结合一种类型的集成光学器件或另一种类型的集成光学器件描述了多种结构，但是应当理解对于任何本发明所公开类型的至少部分地中空的集成光学器件，这些结构也可以存在。
重新参考图1，可以通过任何期望的技术或构造将积分器30装配在发光表面17上，包括通过将积分器30装配在其他表面上(例如，表面25或散热器20的表面)。锥形柱积分器30具有近端35和远端45。近端35面向发光表面17，而远端45背向发光表面。积分器30的近端35提供在发光体15上方形成球形腔体40的表面31。积分器30的远端45提供光学部件和/或膜可以布置在其上的表面46。在顶部表面46和底部表面31之间，积分器30具有锥形侧壁32和33。
在示例性实施例中，由锥形柱积分器提供的腔体40填充有具有折射率nl的材料，折射率nl小于锥形柱积分器的折射率n2。在多种实施例中，在腔体40中的材料可以为空气(包括多种气体或气体混合物的任何一种)或液体。液体可以为密封剂凝胶。在一些实施例中，折射率nl将接近l.O，但在还有的其他示例性实施例中可以高达1.5。 nl的其他值也是可以的。不管nl的值如何， 一般来讲，nl将小于n2。在示例性实施例中，锥形柱积分器的折射率n2将至少为2.0，并且一般来讲将在2.4左右或更高。现在参见图2A，示出根据一个实例实施例的发光体15的发光表面17的示意性俯视图。在该实例实施例中，发光表面17具有发光体18 (例如不同色彩的发光体)的阵列。例如，在图2A中，发光体18
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影线指定。这些类型的多色彩发光体阵列可以利用由锥形柱积分器30提供的色彩共混。然而，锥形柱积分器30的使用并不限于发光体阵列，正如积分器30也可以用于单个发光体。
发光体15具有由发光体的宽度we除以发光体的高度He得到的纵横比。提供球形腔体40的锥形柱积分器30的末端35也可以具有纵横比。图2B示出积分器30的仰视图使得腔体40示出。积分器30在底端35处的纵横比为积分器那端的宽度W^除以积分器那端的高度Hlb。在一些示例性实施例中，积分器30在底部末端35处的纵横比与发光体的尺寸纵横比紧密匹配。通过紧密匹配，在示例性实施例中这些纵横比可以基本上等同。
图2C示出积分器30的俯视图，使得腔体顶端45示出。积分器30在顶端45处的纵横比是积分器在那端的宽度Wlt除以枳分器在那端的高度Hlt。在一些示例性实施例中，积分器30在顶端45处的纵横比是矩形纵横比(即使积分器30的底端不是矩形的)。积分器30顶端45的矩形纵横比不需要与发光体和积分器底端的纵横比紧密匹配。这允许了实现至期望的纵横比的转换。
现在参见图3，示出光源模块IO的又一个实施例，在该光源模块中，会聚透镜形式的光学器件50粘附到锥形柱积分器上。光学器件50可以为选择以达到特殊效果的任何类型的光学透镜部件。例如，光学器件50可以包括准直透镜以帮助产生来自于源IO的准直光束。另外，代替光学透镜， 一种或几种单层或多层光学膜55可以布置在锥形柱积分器30的表面46上以达到期望的光学结果。这在例如图4中示出。
11可以放置在表面46上的光学膜的实例包括可以用于产生均匀偏振光并 且用于有利于光循环利用的反射偏振膜(RPF)。反射偏振膜的实例为 Vikuiti品牌的多层光学膜(MOF) DBEF，由明尼苏达州圣保罗市的 3M公司(3M Company, StPaulMN.)制造。可以放置在表面46上的 光学膜的另一个实例为四分之一波片(QWP)，其可以用于转换光的 偏振(例如，从圆偏振到线性偏振，反之亦然)。在一个实施例中， RPF和QWP两者都包括在光学膜元件55中，QWP邻近表面46，以产 生更大程度的偏振光循环。在光源模块10的还有的其他实施例中，例 如在图5中示出的，光源模块包括通过将其布置在光学膜55上而粘附 到锥形柱积分器30上的会聚透镜或其他光学器件50。在图6中所示的 另一个实施例中，镜面侧60由在积分器30侧壁上的反射材料形成， 以增强由积分器30和光源模块IO提供的全内反射(TIR)。
现在参见图7-11，示出另一个光源模块100，其基本上与光源模 块10相同，除了锥形柱积分器的某些方面。如图7所示，光源模块IOO 包括与上述的锥形柱积分器30共享多个结构的锥形柱积分器130。同 样地，锥形柱积分器130具有近端135和远端145。近端135面向发光 表面17，而远端145背向发光表面。积分器130的远端145提供光学 器件和/或光学膜可以布置在其上的表面146。在积分器130的顶部表 面146和底部之间，积分器130具有锥形侧壁132和133。积分器30 和130之间的主要差别是，由积分器130提供并布置在发光表面上方 的腔体140是截头锥形腔体而不是球形腔体。用于填充截头锥形腔体 140的材料可以与上述讨论的相同。相似地，如图8-11所示，例如会 聚透镜50、光学膜55、镜面侧60或这些类型结构的多种组合的光学 器件都可以用于积分器130。
可以与这些多种特征使用的还有的另一个实施例在图12中示出。 在图12中，示出具有隧道积分器230形式的集成光学器件的光源模块 200o在隧道积分器230中，腔体240通过锥形或非锥形侧壁232和233 向上伸展以形成隧道。尽管未在图12中示出，上述结合锥形柱积分器
1230和130描述的多种结构都可以以相同方式用于隧道积分器230上。 因此，隧道积分器230的侧壁例如可以为反射镜的。作为另一个实例， 对于隧道积分器230，在隧道积分器和会聚透镜50之间可以包括一种 或多种光学膜。腔体(例如，隧道240)的内容物和规定最接近发光体 的折射率低于后续的光学器件的折射率的折射率关系也适用于隧道积 分器230实施例。此外，尽管示出的具体会聚透镜尺寸匹配隧道积分 器230的宽度，但是还可以使用其他尺寸的会聚透镜。例如见在图13 中示出的用于光源模块300中的隧道积分器230的较宽会聚透镜350。 图13还示出反射镜的侧壁36tt在多种实施例中其可以为内壁或外壁， 如上述参照锥形柱积分器所描述的。
概括地说，在示例性实施例中，光源模块包括具有至少一个发光 表面的发光体，以及装配在发光表面上方的至少部分中空的集成光学 器件。在多种实施例中，在中空区域内的折射率小于沿着光学路径的 后续介质的折射率。
至少部分中空的集成光学器件具有面向发光表面的近端和背向发 光表面的远端。在一些实施例中，集成光学器件的近端具有与发光体 的尺寸纵横比紧密匹配的尺寸纵横比，而集成光学器件的远端是平 的，具有矩形纵横比。集成光学器件远端的矩形纵横比可以不同于集
成光学器件近端的尺寸纵横比。
在多种实施例中，至少部分中空的集成光学器件包括在发光表面 上方形成腔体的锥形柱积分器，这里腔体具有折射率nl，小于锥形柱 积分器的折射率n2。腔体例如可以为球形或截头锥形腔体。腔体可以 填充有空气、液体(例如密封剂凝胶)等，从而提供折射率nl。会聚 透镜可以粘附到锥形柱积分器上，并且会聚透镜将具有比锥形柱积分 器的折射率n2更高的折射率。 一种或多种光学膜也可以布置在会聚透 镜和锥形柱积分器的远端之间。在还有的其他实施例中，至少部分中空的集成光学器件包括装配 在发光表面上方的隧道积分器。在这些实施例中，光源模块将通常包
括粘附到隧道积分器的会聚透镜，会聚透镜具有折射率n2，其大于在 隧道中的折射率nl。在示出的示例性实施例中，隧道积分器具有面向 发光表面的近端和背向发光表面的远端，隧道积分器的近端在发光表 面上方形成包壳，而隧道积分器的远端是平的，具有矩形纵横比。会 聚透镜通常粘附到隧道积分器的远端。
本发明所公开的光源模块可以用于多种装置中。在示例性实施例 中，使用这些光源模块的色序迷你投影机可以包括光源模块、偏振光 分束器(PBS)、单色硅上液晶(LCOS)面板以及投影透镜。由于在 锥形隧道提取器中色彩可以组合并匀化，不存在对于色彩组合X管的 需要。另外，不存在对于调节纵横比的变形透镜的需要，前体条件是 LED阵列和锥形隧道纵横比匹配期望成像面板的纵横比。采用本发明 所公开的光源模块的滤色迷你投影机可以包括PBS、滤色LCOS面板 以及投影透镜。作为另外一种选择，采用这些光源模块的色序迷你投 影机可以包括光源模块、准直光学器件、数字光处理(DLP)面板以及 投影透镜。
除非另外指明，否则说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、 数量和物理性能的所有数字均应该被理解为是由术语"约"来修饰。 因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中提出 的数值参数均是近似值，其可以根据本领域的技术人员利用本文所公 开的教导内容试图获得的所需特性而有不同。
对本领域内的技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离本发明 的范围和精神的前提下对本发明进行各种修改和更改。应该理解的 是，本发明不限于本文所提供的示例性实施例。
权利要求
1.一种光源模块，包括发光体，具有至少一个发光表面；和至少部分中空的集成光学器件，装配在所述发光表面上方；其中在中空区域内的折射率小于沿着光学路径的后续介质的折射率。
2. 根据权利要求l所述的光源模块，其中所述至少部分中空的集 成光学器件具有面向所述发光表面的近端以及背向所述发光表面的远 端，所述至少部分中空的集成光学器件的近端具有与所述发光体的尺 寸纵横比紧密匹配的尺寸纵横比，所述至少部分中空的集成光学器件 的远端是平的，具有矩形纵横比。
3. 根据权利要求2所述的光源模块，其中所述至少部分中空的集 成光学器件的远端的所述矩形纵横比不同于所述至少部分中空的集成 光学器件的近端的所述尺寸纵横比。
4. 根据权利要求l所述的光源模块，其中所述至少部分中空的集 成光学器件包括在所述发光表面上方形成腔体的锥形柱积分器，其中所述腔体具有折射率nl，小于所述锥形柱积分器的折射率n2。
5. 根据权利要求4所述的光源模块，其中所述锥形柱积分器的腔 体为球形腔体。
6. 根据权利要求4所述的光源模块，其中所述锥形柱积分器的腔 体为截头锥形腔体。
7. 根据权利要求4所述的光源模块，其中所述锥形柱积分器的腔 体填充有具有所述折射率nl的空气。
8. 根据权利要求4所述的光源模块，其中所述锥形柱积分器的腔 体填充有具有所述折射率nl的液体。
9. 根据权利要求8所述的光源模块其中所述液体为密封剂凝胶。
10. 根据权利要求4所述的光源模块，还包括粘附到所述锥形柱 积分器的会聚透镜，所述会聚透镜具有比所述锥形柱积分器的折射率 n2更高的折射率。
11. 根据权利要求IO所述的光源模块，还包括布置在所述会聚透 镜和所述锥形柱积分器的远端之间的至少一个光学膜。
12. 根据权利要求4所述的光源模块，其中所述锥形柱积分器具 有面向所述发光表面的近端和背向所述发光表面的远端，所述光源模 块还包括粘附到所述锥形柱积分器的远端的至少一个光学膜。
13. 根据权利要求1所述的光源模块，其中所述至少部分中空的 集成光学器件包括装配在所述发光表面上方的隧道积分器，所述光源 模块还包括-粘附到所述隧道积分器的会聚透镜，所述会聚透镜具有比在所述 隧道中的折射率nl更大的折射率n2;其中所述隧道积分器具有面向所述发光表面的近端和背向所述 发光表面的远端，所述隧道积分器的近端在所述发光表面上方形成包 壳，所述隧道积分器的远端是平的，具有矩形纵横比，所述会聚透镜 粘附到所述隧道积分器的远端。
14. 根据权利要求13所述的光源模块，其中所述隧道积分器具有 锥形侧壁。
15. 根据权利要求13所述的光源模块，其中所述隧道积分器的近 端具有与所述发光表面的尺寸纵横比紧密匹配的尺寸纵横比。
16. 根据权利要求15所述的光源模块，其中所述隧道积分器的远 端的所述矩形纵横比不同于所述隧道积分器的近端的所述尺寸纵横 比。
17. 根据权利要求13所述的光源模块，其中所述隧道积分器填充 有具有折射率nl的空气。
18. 根据权利要求13所述的光源模块，其中所述隧道积分器填充 有具有折射率nl的液体。
19. 根据权利要求18所述的光源模块，其中所述液体为密封剂凝胶。
20. 根据权利要求13所述的光源模块，还包括布置在所述会聚透 镜和所述隧道积分器的远端之间的至少一个光学膜。
21. 根据权利要求1所述的光源模块，其中所述至少部分中空的 集成光学器件具有在面向所述发光表面的近端和背向所述发光表面的 远端之间的反射镜侧壁。
全文摘要
本发明提供一种光源模块，所述光源模块包括具有至少一个发光表面的发光体和装配在所述发光表面上方的至少部分中空的集成光学器件；其中在所述中空区域内的折射率小于沿着光学路径的后续介质的折射率。集成光学器件具有面向发光表面的近端和背向发光表面的远端。集成光学器件的远端是平的并且具有不同于发光体纵横比的矩形纵横比。一种或多种光学膜和/或例如会聚透镜的光学部件可以粘附到集成光学器件的远端。
文档编号H01L33/60GK101496170SQ200780028693
公开日2009年7月29日 申请日期2007年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者威廉·E·飞利浦三世, 帕特里克·R·德斯藤, 珍妮弗·L·格雷斯 申请人:3M创新有限公司