EP1920286A2 - Lichtemittierendes modul insbesondere zur verwendung in einem optischen projektionsgerät und optisches projektionsgerät - Google Patents

Lichtemittierendes modul insbesondere zur verwendung in einem optischen projektionsgerät und optisches projektionsgerät

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Publication number
EP1920286A2
EP1920286A2 EP06791329A EP06791329A EP1920286A2 EP 1920286 A2 EP1920286 A2 EP 1920286A2 EP 06791329 A EP06791329 A EP 06791329A EP 06791329 A EP06791329 A EP 06791329A EP 1920286 A2 EP1920286 A2 EP 1920286A2
Authority
EP
European Patent Office
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light
optical
emitting module
optical element
light emitting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06791329A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan GRÖTSCH
Sergey Kudaev
Bryce Anton Moffat
Peter Schreiber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1920286A2 publication Critical patent/EP1920286A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
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    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H01L33/60—Reflective elements

Definitions

  • Light-emitting module in particular for use in a projection optical device and optical projection device
  • a light-emitting module is specified.
  • the light-emitting module is particularly suitable for use in a projection optical device.
  • an optical projection apparatus is specified with such a light-emitting module.
  • Document EP 100 30 62 A1 describes an optical projection apparatus.
  • An object to be solved is to specify a particularly compact light-emitting module. Another object to be solved is to provide a light-emitting module which has an increased mechanical stability. Furthermore, it is an object to provide a particularly compact optical projection apparatus.
  • the light-emitting module has at least two light sources.
  • the light sources are applied to a common carrier.
  • the carrier is, for example, a circuit board.
  • the carrier then has printed conductors and contact points, by means of which the light sources of the module are electrically contacted.
  • the carrier is preferably suitable to dissipate heat generated during operation of the light sources.
  • the carrier preferably has a good thermal conductivity for this purpose. For example, it is the carrier around a printed circuit board (PCB) or more preferably around a metal core board containing a metal such as copper or aluminum.
  • one of the light sources comprises at least two light-emitting diode chips. That is to say that at least this light source contains as light-generating elements two or more than two light-emitting diode chips which, upon contacting the light source, can jointly produce electromagnetic radiation, preferably simultaneously. It is also possible for the light-emitting diode chips of the light source to be able to be contacted separately from one another.
  • the light-emitting diode chips of the light source are arranged, for example, to form a square or rectangular array of N ⁇ M light-emitting diode chips. For example, a light source may have 2 ⁇ 3 light-emitting diode chips.
  • the light-emitting diode chips are arranged in two rows of 3 light-emitting diode chips each. Further light sources of the light-emitting module may comprise individual light-emitting diode chips or likewise a plurality of light-emitting diode chips.
  • each light source of the module is followed by an optical body of an optical element.
  • “subordinate” means that the optical body follows the light source in a main emission direction of the light source
  • the optical body is arranged relative to the light source in such a way that a large part of the electromagnetic radiation generated by the light source during operation enters the optical body and passes through the optical body Optic body of this can be optically influenced.
  • each light source is uniquely associated with an optical body of the optical element. That is, the optical element has a plurality of optical bodies. The number of optical bodies corresponds to the number of light sources.
  • Each light source is associated with a separate optical body of the optical element. This also means that at least in that light source which comprises at least two light-emitting diode chips, this plurality of light-emitting diode chips is arranged downstream of a common optical body.
  • the optical bodies are suitable for guiding electromagnetic radiation generated during operation of the light sources to a light exit surface of the optical element. That is, the optical bodies are arranged such that they guide electromagnetic radiation generated by the light sources of the module during operation from the light sources to a light exit surface of the optical element.
  • the light exit surface of the optical element can be contained in a separate from the Optikk ⁇ rpern component of the optical element.
  • the light exit surface of the optical element may be formed for example by the surface of a cover plate of the optical element. But it is also possible that the light exit surface of the optical element is formed by the light exit surfaces of the optical body and is composed for example of these.
  • the light exit surface of an optic body is that surface through which a large part of the electromagnetic radiation coupled into the optic body leaves it again. Electromagnetic radiation, which the light exit surface of the optical body in the direction of the Radiating out optics body, can no longer be optically influenced by the optical body.
  • the optic body is formed by a hollow body, I can also act at the light exit surface to a virtual or imaginary surface. As soon as electromagnetic radiation has penetrated this surface in the direction away from the optical body, the radiation can no longer be visually influenced by the optical body.
  • the imaginary surface is limited by the upper edge of the optical body remote from the light source.
  • the light exit surface of the optical element and / or the light exit surfaces of the optical body are preferably suitable for optically influencing the electromagnetic radiation passing through them. These surfaces can then serve for beam shaping of the electromagnetic radiation passing through the optical element. Furthermore, it is possible for the light exit surfaces of the optical element and / or the optic bodies to be suitable for reducing the probability of total reflection upon the exit of radiation from the optical element. The light exit surfaces then serve to increase the beam power of the light-emitting module. Furthermore, the component of the optical element which comprises the radiation exit surface can also represent mechanical protection, for example of the light sources, from contact or soiling.
  • the light-emitting module has at least two light sources which are applied to a common carrier. At least one of the light sources comprises in this case, two light-emitting diode chips, wherein each light source is arranged downstream of an optical body of an optical element, and the optical body are adapted to guide electromagnetic radiation to a light exit surface of the optical element.
  • At least one of the optical bodies of the optical element comprises a non-imaging optical concentrator.
  • all optical bodies of the optical element are formed by non-imaging optical concentrators.
  • the optical concentrator tapers towards the light source, to which it is arranged downstream. In other words, its cross-sectional area increases as the distance to the light source increases.
  • the optical body may consist of a concentrator or in addition to the concentrator other components - for example, a cover - include.
  • the optical body can be formed at least in places in the manner of one of the following basic optical elements: Compound Parabolic Concentrator (CPC), Compound Elliptic Concentrator (CEC), Compound Hyperbolic Concentrator (CHC).
  • CPC Compound Parabolic Concentrator
  • CEC Compound Elliptic Concentrator
  • CHC Compound Hyperbolic Concentrator
  • the side surfaces of the optical body are then formed at least in places in the manner of one of these optical basic elements.
  • the optical body is shaped at least in places in the manner of a truncated cone or a truncated pyramid, which tapers towards the light source.
  • the optical body may be formed in all these embodiments as a solid body.
  • a guidance of electromagnetic radiation in the optical body takes place at least partially by means of total reflection at its side surfaces.
  • the surface of the solid body may be coated at least in places with a reflective material.
  • the optic body is designed as a hollow body whose inner surfaces are designed to be reflective.
  • the inner surfaces of the optical body are then coated with a reflective metal.
  • the light exit surface is that imaginary, flat surface which covers the opening of the optical body facing away from the light source. That is, this surface connects the side surfaces of the optical body at its light exit opening.
  • the optical body comprises a non-imaging optical concentrator, which is designed as a truncated pyramid. That is, the optical body has, for example, a rectangular light entrance surface and a rectangular light exit surface which are interconnected by the side surfaces of the optical body.
  • the truncated pyramid can be symmetrical. That is, it is symmetrical with respect to a central axis which passes through the geometric center of the light entrance surface and is perpendicular to the light entrance surface. This central axis then passes through the geometric center the light exit surface. Furthermore, it is possible for the optical body to be formed by an asymmetrical truncated pyramid, in which the center axis does not coincide with the center axis through the geometric center of the light entry surface through the geometric center of the light exit surface.
  • the specified light-emitting module makes use, inter alia, of the finding that by using a plurality of optical concentrators as optical bodies, which are respectively arranged downstream of groups of light-emitting diode chips and the same optical effect can be achieved by a common light-emitting surface of the optical element, as if all light-emitting diodes of Module would be a single, common optical concentrator downstream.
  • the light-emitting module described here is distinguished by a length of the optical element which is reduced by up to about 50 percent. That is, because of the use of multiple optical concentrators, the concentrators can be made shorter. Such an optical element therefore enables a particularly compact light-emitting module. Furthermore, the reduced length of the optical element results in increased mechanical stability of the light-emitting module.
  • the optical body is formed by a solid body. This proves to be particularly advantageous, for example, when the optic body is designed as a truncated pyramid.
  • the optical body formed as a solid body preferably contains a transparent material with a refractive index greater than 1.4. Reflections on the side surfaces of the Optikk ⁇ rpers done then preferably by total reflection.
  • the optical body may be formed, for example, of a transparent plastic or glass. If the optic body consists of a transparent plastic, then it is preferably injection-molded or injection-molded.
  • the optic body then preferably contains or consists of at least one of the following materials: PMMA, PMMI, PC, COC (for example, Zeonex or Topas), silicone.
  • the light exit surface of the optical body is preferably formed integrally with the optical body when formed as a solid optical body. It can be designed as smooth or as a surface with a curvature.
  • the optical element is formed in one piece. That is, the optical elements of the optical element, and optionally other components of the optical element are integrally connected to each other.
  • the optical element is produced for example by means of an injection molding or transfer molding process.
  • the width of the web caused by the manufacturing process between the individual optical bodies of the optical element is preferably chosen to be as small as possible. This ensures that the optical properties of the optical element are influenced as little as possible by the web.
  • the integrally formed optical element is characterized by its compactness by a particularly simple handling during assembly of the optical element on the support of the light-emitting module.
  • the optical element of the module is multi-piece educated. That is, components of the optical element are made separately from each other. These components can also be injection-molded or injection-molded, for example.
  • the optical body of the optical element are made separately from each other.
  • the optical bodies can have light exit surfaces, which form the light exit surface of the optical element in the assembled optical element.
  • the component which contains the light exit surface of the optical element is manufactured separately from the optical elements or both the optical elements are manufactured separately from one another as well as the component which comprises the light exit surface of the optical element.
  • separately formed optical bodies can advantageously account for a web between the optical bodies.
  • the light exit surface of the optical element is formed by a convex surface which extends over the light exit surfaces of the optical body.
  • the light exit surface of the optical element can be curved, for example, over the optic body of the optical element. In other words, the light exit surface then spans the optic bodies in the sense of a dome.
  • the light exit surface in this embodiment may be part of a separate component of the optical element, which is manufactured separately from the optical bodies - for example, a curved cover plate of the optical element.
  • the light exit surface of the optical element is formed in places by light exit surfaces of the optical body.
  • the Light exit surface of the optical element of light exit surfaces of the optical body together.
  • each of the optical bodies can have a light exit surface, which forms part of the light exit surface of the optical element.
  • the composite optical element then has a light exit surface which extends over the light exit surfaces of the optical body and consists of these.
  • the optical element of the module has a light exit surface with convex subregions which are interconnected by concave subregions.
  • the convex portions may extend over the light exit surfaces of several optical bodies. But it is also possible that convex portions are associated with the optical bodies one-to-one. In this case, for example, a curvature of the light exit surface of the optical element can be arranged downstream of each optical body, which then mainly optically influences the electromagnetic radiation passing through this optical body.
  • Concave subregions which connect the convex subareas to one another comprise both concavely curved subareas of the light exit surface of the optical element and also peaks, notches and other indentations of the light exit surface. Furthermore, it is possible that the convex partial regions are connected to one another by flat surface sections of the light exit surface of the optical element.
  • a curved light exit surface also proves in the manufacture of the Optic body as advantageous. If the optical body is a solid body, uncontrollable production fluctuations during curing of the optical body can occur during the production of an optical body with a planar light exit surface. That is, the light exit surface then has convexly and concavely curved partial areas in a non-predeterminable manner.
  • a curved light exit surface with a predetermined radius of curvature allows the light exit surface itself to stabilize. Curved portions of the light exit surface preferably have a radius of curvature of at least 100 mm, preferably at least 50 mm.
  • the light exit surface of the optical element is composed of the light exit surfaces of the optical body. That is, the light exit surface of the optical element is not a separate component of the optical element, but it is composed of several parts, each of which forms light exit surfaces of an optical body. This is preferably the case when the optical element is formed in several pieces, and the optical body are made separately from each other.
  • the optic bodies can then each have, for example, convexly curved light exit surfaces.
  • the optic bodies are designed in such a way that the
  • Light exit surfaces of the optical body in the composite optical element form-fitting complement to a light exit surface of the optical element.
  • a light exit surface of the optical element which extends as a curved surface over all the optical body, through the light exit surfaces the optic body be formed.
  • Light that passes through the light entry surface into an optical body can then emerge with a certain probability through the radiation exit surface of another optical body, which is arranged for example adjacent.
  • the composite light exit surface of the optical element thus forms an optical base element - for example, a concentrator lens - for the entire optical element. That is, a common
  • Concentrator lens for the light of all light sources of the module is formed only by the assembly of the individual optical body.
  • the optical properties of the light exit surface of the optical element are not given by a simple addition of the optical properties of the light exit surfaces of separate optical body.
  • the light-emitting module has at least one optical body whose light-entry surface has an antireflection coating comprising a dielectric material.
  • This coating is used for anti-reflection of the light entry surface of the Optikk ⁇ rpers and thus increases the probability of the light entering the optic body.
  • light entry surfaces of all optical bodies of the optical element are coated in this way.
  • the light exit surface of the optical body and / or the light exit surface of the optical element also has such a coating.
  • the coating of the light transmission surfaces of the optical element can be effected by means of a dip coating method.
  • porous sol-gel Layers that allow a particularly cost-effective coating of the plastic or glass from which the components of the optical element are made.
  • the light entry surface of at least one optical body has a periodic microstructure which is suitable for reducing the reflection of electromagnetic radiation.
  • periodic microstructuring can be done, for example, alternatively or in addition to an antireflection coating.
  • the antireflection coating can be optimized to the desired wavelength range. If the periodic microstructuring, for example, wave-shaped with a period between three and seven microns and a depth between six and nine microns executed, the structuring is particularly well suited for an anti-reflection in the wavelength range of ten to twenty microns. With a correspondingly selected period of microstructuring, antireflection in the visible range is also possible.
  • the period length of the structuring is preferably smaller than the wavelengths to be soiled.
  • the structuring can take place by the impression of holographically produced stamps in the material of the optic body, which in this case is preferably formed as a solid body.
  • further light transmission surfaces of the optical element such as the light exit surface of the optic body and / or of the optical element, can also have such periodic microstructuring for antireflection coating.
  • at least one of the light-emitting diode chips of the module is free of a potting compound. That is, this LED chip is not subordinate example, epoxy resin or silicone-containing encapsulation. The LED chip is therefore not embedded in a potting compound. The light output surface of the LED chip is freely accessible. This LED chip is the
  • Subordinate light input surface of an optical body so that light of the LED chip radiates into the optical body, without having previously irradiated a potting compound. This allows the irradiation of electromagnetic radiation in the optical body without a partial absorption of the electromagnetic radiation takes place in a potting compound. Furthermore, it can not lead to aging or peeling of the potting compound.
  • an air gap is arranged between the light output surface of a light-emitting diode chip of the module and the radiation entrance surface of the optical body associated with the light-emitting diode chip. That is, the light entrance surface of the optical body and the light outcoupling surface of the LED chip are not connected to each other by a potting compound or refractive index-matching material, for example, an index matching gel, but there is a gap between these surfaces, which is preferably filled with air , It is possible that the light-emitting diode chip has a thin encapsulation, which does not extend to the light entry surface of the optical body or that the LED chip is shedding-free.
  • the distance between the light entry surface of an optical body of the optical element and the light exit surface of at least one light-emitting diode chip is not more than 250 ⁇ m, preferably not more than 200 ⁇ m, particularly preferably not more than 100 ⁇ m.
  • the spacing is limited only by a possible contacting wire via which the light-emitting diode chip is electrically contacted on the n-side, for example.
  • Such a small distance between the light entry surface of the optical body and the light output surface of the LED chip allows the coupling of the largest possible portion of the light emitted by the LED chip in the optical body.
  • the optical element has a holder to which the optical bodies are attached.
  • the holder may be a separate component of the optical element or the holder is formed integrally with the optical element.
  • the optic bodies are preferably fastened to this holder on their sides facing away from the light entry surfaces.
  • the optical body can be glued, snapped or inserted, for example, on the holder. Further, it is possible that the optical bodies are integrally connected to the holder. In this case, the optical body can be manufactured together with the holder in an injection molding or transfer molding process.
  • a component of the optical element for example a cover plate, which includes the light exit surface of the optical element-to be fastened to the holder or to be formed integrally therewith.
  • the holder is preferably frame-like, box-like or designed in the manner of a hollow cylinder with a round or oval base.
  • the components of the optical element, such as the optical body, are then preferably attached to the side facing away from the carrier of the module of the holder thereto.
  • the frame-shaped holder makes use of the knowledge that thermal stresses of the optical element are compensated particularly well by such a holder.
  • the holder mounted on the carrier expands away from the carrier.
  • the optic bodies which are preferably fastened to the side of the holder facing away from the carrier, extend from the side of the holder facing away from the carrier to the carrier. In this way, the thermal expansions of the holder away from the carrier and the optical body to compensate for the carrier out.
  • the distance of the light outcoupling surfaces of the LED chips from the light entry surfaces of the optical body remains in this way at least approximately constant.
  • holders and optics body thereby
  • I matched to each other thermal expansion coefficients and are formed, for example, from the same material.
  • the holder encloses the optical bodies of the optical element from at least four sides. In this case, side surfaces of the holder extend along the optical body.
  • the holder can be designed for this purpose, for example, in the manner of a box or a hollow cylinder.
  • the holder encloses the light sources of at least four sides.
  • the holder may be formed, for example, box-like.
  • the side surfaces of the holder are at least in places in contact with the support of the module - for example, they rest on the support. In this way, the holder provides mechanical protection of the light sources, which include, for example, non-cast LED chips.
  • the optical projection device preferably has at least one light-emitting module according to at least one of the embodiments described above.
  • the optical projection apparatus preferably has a plurality of such light-emitting modules which, for example, could be suitable for producing light of different colors.
  • one of the modules may be suitable for emitting light in the green spectral range.
  • Another module may be suitable for emitting light in the red spectral range.
  • a third module may be suitable for generating light in the blue spectral range.
  • the light-emitting modules are arranged on the side surfaces of a dichroic beam distributor (X-cube). If red, blue and green light are emitted at the same time and with suitable intensities in three different side surfaces in this X-Cube, white mixed light leaves the X-Cube through another side surface.
  • X-cube dichroic beam distributor
  • the optical projection apparatus can continue an imaging unit such as an array of separately controllable micromirrors (DMD) or an LCD panel.
  • an imaging unit such as an array of separately controllable micromirrors (DMD) or an LCD panel.
  • the optical projection apparatus may include a projection lens which is suitable for projecting the light originating from at least one of the light-emitting modules onto a projection surface.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective sketch of a first exemplary embodiment of the light-emitting module described here
  • FIG. 2A shows a schematic perspective sketch of a second exemplary embodiment of the light-emitting module described here
  • FIG. 2B shows a schematic perspective sketch of the optical element for the second exemplary embodiment of the light-emitting module
  • FIG. 2C shows a schematic sectional view of the optical element, as shown in FIG. 2A, seen from a first direction
  • FIG. 2D shows a schematic sectional illustration of the optical element, as shown in FIG. 2A, seen from a second direction
  • FIG. 3 shows a schematic perspective sketch of a third exemplary embodiment of the light-emitting module described here
  • FIG. 4A shows a schematic perspective sketch of a fourth exemplary embodiment of the light-emitting module described here, FIG.
  • FIGS. 4B and 4C are schematic perspective sketches of optical bodies of the optical element of the fourth embodiment.
  • FIG. 4D shows a schematic sectional view of an optic body as used in the fourth exemplary embodiment of the module
  • FIG. 5 the course of an optimized light exit surface for an exemplary embodiment of the optical element
  • FIGS. 6A and 6B are schematic sectional views of optic bodies for embodiments of the optical element
  • Figures 7A, 7B and 7C are schematic sectional views of embodiments of the optical element.
  • Figure 8 is a schematic sectional view of an embodiment of the optical Proj edictions confuses described here.
  • identical or identically acting components are each provided with the same reference numerals.
  • the components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale. Rather, some details of the figures are exaggerated for clarity.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective sketch of a first exemplary embodiment of a light-emitting module described here.
  • the light-emitting module 20 of the first embodiment has two light sources 1.
  • the light sources 1 each comprise two times three light-emitting diode chips 2.
  • Each light source 1 is arranged downstream of the optical body 3 of an optical element 5.
  • the optical bodies 3 of the embodiment of FIG. 1 are non-imaging concentrators which are designed in the manner of a CPC optic described above.
  • these concentrators are designed as solid bodies, so that the side walls guide the light from the radiation entrance surface to the radiation exit surface 4 by total internal reflection.
  • the optical bodies 3 guide the light of the light sources 1 to a cover plate of the optical element 5, which comprises the radiation exit surface 4 of the optical element 5.
  • the radiation exit surface 4 of the optical element 5 is arranged downstream of the radiation exit surfaces 40 of the optical body 3.
  • the optical body 3 and the radiation exit surface 4 are fastened to a holder 13, which comprises dowel pins 8.
  • the dowel pins 8 engage in corresponding recesses 6 of the carrier 7 of the light-emitting module 20.
  • the dowel pins 8 contribute to the mechanical fastening and / or to the adjustment of the optical element 5 on the carrier 7.
  • the carrier 7 is formed for example by a metal core board, which may have holes 12, via which the carrier 7 on a module carrier (not shown) attached, for example, can be screwed.
  • the metal core board preferably contains good heat-conducting metals such as aluminum or copper.
  • the carrier 7 has' printed conductors 9, which connect a plug connection 10, by means of which the module can be electrically contacted from the outside, with the light sources 1.
  • the light-emitting diode chips 2 of the light sources 1 are applied, for example, to a ceramic carrier 11, which has plated-through holes (vias) in order to contact the light-emitting diode chips 2 with the conductor tracks 9 of the carrier 7.
  • the radiation decoupling surface of a light-emitting diode chip 2 of a light source 1 has, for example, an area of approximately one mm 2 .
  • the spacing of the light-emitting diode chips 2 of a light source 1 with one another is preferably less than 100 ⁇ m.
  • the light-emitting diode chips 2 are particularly preferably so-called thin-film light-emitting diode chips. That is to say, at least one light-emitting diode chip 2 has a light output surface through which a large part of the electromagnetic radiation emitted by the light-emitting diode chip 2 is coupled out. Particularly preferably, the entire radiation emitted by the light-emitting diode chip 2 emerges through the light output surface.
  • the light output surface is given for example by a part of the surface of the LED chip 2.
  • the radiation coupling-out surface is provided by a main surface of the light-emitting diode chip 2, which is arranged, for example, parallel to an epitaxial layer sequence of the light-emitting diode chip 2, which is suitable for generating electromagnetic radiation.
  • the epitaxial layer sequence can have, for example, a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well or a multiple quantum well structure (MQW).
  • quantum well structure may include any structure in which carriers undergo quantization of their energy states by confinement.
  • quantum well structure does not include information about the directionality of the quantization. It thus includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the light-emitting diode chip 2 is a light-emitting diode chip in which the growth substrate is at least partially removed and on the surface facing away from the original growth substrate, a carrier element is applied.
  • the carrier element can, compared with a
  • a carrier element is selected which is particularly well adapted to the radiation-generating epitaxial layer sequence with regard to its temperature expansion coefficient.
  • the carrier element may contain a material which is particularly good heat-conducting. In this way, the heat generated by the LED chip 2 during operation is dissipated to the carrier 7 in a particularly efficient manner.
  • Such light-emitting diode chips 2 produced by removing the growth substrate are often referred to as thin-film light-emitting diode chips and are preferably distinguished by at least one of the following features:
  • a reflective layer or layer sequence is applied or formed which reflects back at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence.
  • the epitaxial layer sequence preferably has a thickness of not more than 20 ⁇ m, particularly preferably not more than 10 ⁇ m.
  • the epitaxial layer sequence preferably contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure.
  • this intermixing structure leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial layer sequence, ie it has the most ergodic, stochastic scattering behavior possible.
  • a basic principle of a thin-film LED chip is described, for example, in the publication I. Schnitzer et al. , Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18 October 1993, pages 2174 to 2176, the disclosure of which is hereby incorporated by reference, the basic principle of a thin film light-emitting diode chip.
  • the distance between the centers of the two light sources 1 of the light-emitting module 20 is in the embodiment of Figure 1 between five and six mm.
  • FIG. 2A shows a schematic perspective illustration of a second exemplary embodiment of the light-emitting module 20 described here.
  • the light-emitting module 20 of FIG. 2A has a box-like holder 13 of the optical element 5. That is, the optical element 5 has a holder 13 (see also the sectional view along the lines AA 'of Figure 2B and the sectional view along the lines BB' of Figure 2C), which encloses the light sources 1 and the optical body 3 from four sides , Here are side surfaces of the holder 13 in places on the carrier 7.
  • the optical element 5 of FIG. 2A represents a mechanical protection of the light-emitting diode chips 2 and the optical body 3.
  • the light-emitting diode chips 2 can therefore be cast-free, for example.
  • the light entry surfaces 14 of the optical body 3 are preferably arranged at a distance of between 100 and 250 ⁇ m from the radiation decoupling surface of the light-emitting diode chips 2.
  • the gap between LED chips 2 and light entry surface 14 is preferably filled with air.
  • the optical body 3 of the optical element 5 are in the embodiment of Figure 2A preferably separately manufactured solid body, which are attached to the holder 13. They each have a radiation exit surface 40.
  • the radiation exit surfaces 40 of the optical body 3 complement each other to the radiation exit surface 4 of the optical element 5 (see also the schematic sectional views of Figures 2C and 2D). In this case, it is possible for light entering through the radiation entrance surface 14 of an optical body 3 to emerge from the optical element 5 through the radiation exit surface of another optical body.
  • the optic bodies 3 are truncated pyramidal optics.
  • the light of the array of light-emitting diode chips 1 divided into two light sources 1 is then collected by the optical bodies 3 and redistributed onto a rectangular light-emitting surface 4 of the optical element 3.
  • the optical element 5 is preferably fastened and / or adjusted on the carrier 7 by means of dowel pins 8, which have a star-shaped cross section.
  • the length of the carrier 7 in the embodiment of the light-emitting module 20 shown in connection with FIG. 2A is approximately 4.0 cm.
  • the width is about 2.5 centimeters.
  • the height of the optical element 5 is approximately 2.5 cm from the carrier to the vertex of the radiation exit surface 4.
  • Each optical body 3 is arranged downstream of an array of 2 x 3 LED chips 2. In comparison, a single optical body arranged after twelve light-emitting diode chips would have to be approximately twice the length in order to achieve the same optical effect as the optical element 5 as described in connection with FIG. 2B.
  • the optical element 5 is integrally formed. Between the optic bodies 3, which are formed as a truncated pyramid, is due to the manufacturing process, a web 17.
  • the web 17 is preferably selected to be particularly thin, as little as possible to influence the optical properties of the optical element 5.
  • the width of the web 17 is at most 0.25 mm.
  • FIG. 4 a shows a schematic perspective sketch of a fourth exemplary embodiment of the light-emitting module described here.
  • Figures 4B and 4C show schematic perspective views of the optical body 3 of this module.
  • the optical body 3 are attached to a holder 13.
  • Their light exit surfaces 40 complement each other to the light exit surface 4 of the optical element 3. It is possible that radiation which is coupled to the light entrance surface 14 of the one optic body 3 exiting through the radiation exit surface 40 of the other optical body from the module.
  • the composite light exit surface 4 therefore represents a light exit surface for the entire module 20.
  • the optical body 3 of the optical element 5 have in this embodiment asymmetric truncated pyramids 3a as optical concentrators. That is, a central axis that is perpendicular to the radiation entrance surface 14 through its geometric center does not coincide with a central axis that passes through the geometric center of the light exit surface 40.
  • the light exit surface 4 of the optical element preferably serves as Concentrator lens. Its decentralized arrangement relative to the radiation entrance surface 14 of the optical body 3 contributes to the compensation of the asymmetry of the truncated pyramid 3a, which forms the optical body 3 at.
  • FIG. 4D shows, in a schematic sectional illustration of the optical element 3, using example beams, how a decentralized lens-shaped light exit surface 40 can compensate the asymmetry of the asymmetrical truncated pyramid 3a.
  • FIG. 5 shows an optimized course of the
  • FIG. 5 shows the course of the radiation exit surface 40 from the middle to the edge.
  • FIG. 5 indicates the arrow height (Sag) in millimeters depending on the radius.
  • the light exit surface 40 of the optic body 3 is optimized, for example, by means of a raytracing method.
  • Table 1 indicates the coordinates of selected points on the radiation exit surface 40 to an optical body 3.
  • FIG. 6A shows a schematic sectional view of an optical body 3 with a radiation exit surface 40.
  • the length of the truncated pyramid 3a is, for example, approximately 18 mm.
  • the thickness of the cover plate 3b, which follows the truncated pyramid 3a and is preferably integrally formed therewith, is approximately 2.5 mm.
  • the length of the optical body 3 from the radiation entrance surface 14 to the vertex of the radiation exit surface 40 is approximately 22 mm.
  • the radiation exit surface 40 of the optic body 3, as shown in FIG. 6A, has a convex curvature 15.
  • FIG. 6B shows a schematic sectional representation of optic bodies 3, which are connected to one another at their radiation exit surfaces 40.
  • the radiation exit surfaces 40 of the optical body 3 are complementary to
  • Radiation exit surface 4 of an optical element 5 has convexly curved partial regions 15 and concavely curved partial regions 16.
  • Figures 7A, 7B and IC show schematic sectional views of optical elements 5 which are each "two light sources 1 arranged downstream.
  • the optical body 3 of Figure 7A each have planar light exit surfaces 40, which together form a flat light exit surface 4 of an optical element 5.
  • FIG. 7B shows two optical bodies 3 which each have a curved light exit surface 40.
  • the light exit surfaces 40 of the optical body 3 are complementary to a light exit surface 4 of the optical element 5, which is curved over both Optikk ⁇ rper 3 and extends like a dome over the optical body 3.
  • FIG. 7C shows two optical bodies 3 in which the light exit surfaces 40 are each arched in the manner of a lens.
  • the light exit surface 4 of the optical element 5 composed of the light exit surfaces 40 of the optical body 3 has convex partial regions 15 and a concave partial region 16 which connects the convex partial regions 15 to one another.
  • the concave portion 16 is at the point where the Optikk ⁇ rper 3 touch, given by a tapered trench, located in the Radiation exit surface 4 of the optical element 3 extends.
  • the optical elements 5 of FIGS. 7A to 7B are preferably designed in two parts and are assembled at the radiation entrance surfaces 40 of the optical body 3.
  • the optical body 3 can be glued together and / or they are held together by a holder 13.
  • the radiation entrance surfaces 14 and the radiation exit surfaces 40 of the optic bodies 3 may additionally have coatings (not shown) or periodic microstructures ("moth eye structures") which are suitable for antireflecting these light transmission surfaces
  • Light entrance surface 14 of the optical body 3 is due to the proximity to the heat-generating in operation light sources to ensure a particularly high heat and heat exchange resistance.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of an embodiment of the optical projection device described here.
  • the optical projection device has three light-emitting modules 20, as described for example in the preceding embodiments.
  • one of the modules 20a is capable of producing red light.
  • Another module 20b may be capable of producing blue light.
  • the third module 20c may be adapted to produce green light.
  • the modules 20a to 20c are arranged on the side surfaces of an X-Cube 30 into which they can radiate their light.
  • radiation 34 leaves the X-Cube 30.
  • the radiation 34 strikes an array of separately controllable micromirrors 31, which serves as an imaging element.
  • LCD flashes may be disposed between the modules 20a-20c and the X-cube as imaging elements. Part of the radiation 35 reflected by the micromirrors passes through a projection lens 32 and is projected from there onto a projection screen.

Abstract

Es wird ein lichtemittierendes Modul (20), mit zumindest zwei Lichtquellen (1), die auf einen gemeinsamen Träger (7) aufgebracht sind angegeben. Dabei umfasst zumindest eine der Lichtquellen (1) wenigstens zwei Leuchtdiodenchips (2). Jeder Lichtquelle (1) des Moduls ist ein Optikkörper (3) eines optischen Elements (5) nachgeordnet ist, und die Optikkörper (3) sind geeignet, elektromagnetische Strahlung zu einer Lichtaustrittsfläche (4) des optischen Elements (5) zu führen. Ferner wird ein optisches Projektionsgerät mit einem solchen lichtemittierenden Modul angegeben.

Description

Beschreibung
Lichtemittierendes Modul insbesondere zur Verwendung in einem optischen Projektionsgerät und optisches Projektionsgerät
Es wird ein lichtemittierendes Modul angegeben. Das lichtemittierende Modul eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem optischen Projektionsgerät. Darüber hinaus wird ein optisches Projektionsgerät mit solch einem lichtemittierenden Modul angegeben.
Die Druckschrift EP 100 30 62 Al beschreibt ein optisches Proj ektionsgerät .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein besonders kompaktes lichtemittierendes Modul anzugeben. Eine weitere zu losende Aufgabe besteht darin, ein lichtemittierendes Modul anzugeben, das eine erhöhte mechanische Stabilität aufweist. Ferner ist es Aufgabe ein besonders kompaktes optisches Projektionsgerät anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls weist das lichtemittierende Modul wenigstens zwei Lichtquellen auf. Die Lichtquellen sind dabei auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht .
Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um eine Leiterplatte. Der Träger weist dann Leiterbahnen und Kontaktstellen auf, mittels derer die Lichtquellen des Moduls elektrisch kontaktierbar sind. Weiter ist der Träger bevorzugt geeignet, beim Betrieb der Lichtquellen entstehende Wärme abzuleiten. Der Träger weist dazu bevorzugt eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise handelt es sich bei dem Träger um eine bedruckte Leiterplatte (PCB) oder besonders bevorzugt um eine Metallkernplatine, die ein Metall wie Kupfer oder Aluminium enthält.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls umfasst eine der Lichtquellen wenigstens zwei Leuchtdiodenchips. Das heißt, zumindest diese Lichtquelle enthält als Licht erzeugende Elemente zwei oder mehr als zwei Leuchtdiodenchips, die bei Kontaktierung der Lichtquelle gemeinsam, vorzugsweise gleichzeitig elektromagnetische Strahlung erzeugen können. Dabei ist es auch möglich, dass die Leuchtdiodenchips der Lichtquelle getrennt voneinander kontaktierbar sind. Die Leuchtdiodenchips der Lichtquelle sind beispielsweise zu einem quadratischen oder rechteckigen Array von N x M Leuchtdiodenchips angeordnet. Beispielsweise kann eine Lichtquelle 2 x 3 Leuchtdiodenchips aufweisen. Dabei sind die Leuchtdiodenchips in zwei Reihen zu je 3 Leuchtdiodenchips angeordnet . Weitere Lichtquellen des lichtemittierenden Moduls können einzelne Leuchtdiodenchips oder ebenfalls eine Mehrzahl von Leuchtdiodenchips umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls ist jeder Lichtquelle des Moduls ein Optikkörper eines optischen Elements nachgeordnet. „Nachgeordnet" bedeutet dabei, dass der Optikkörper der Lichtquelle in einer Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle gesehen nachfolgt. Der Optikkörper ist dabei derart relativ zur Lichtquelle angeordnet, dass ein Großteil der von der Lichtquelle im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung in den Optikkörper eintritt und bei Durchtritt durch den Optikkörper von diesem optisch beeinflusst werden kann. Bevorzugt ist jeder Lichtquelle ein Optikkörper des optischen Elements eineindeutig zugeordnet. Das heißt, das optische Element weist eine Mehrzahl von Optikkörpern auf. Die Zahl der Optikkörper entspricht der Zahl der Lichtquellen. Jeder Lichtquelle ist ein separater Optikkörper des optischen Elements zugeordnet. Das bedeutet auch, dass zumindest bei derjenigen Lichtquelle, die wenigstens zwei Leuchtdiodenchips umfasst, dieser Mehrzahl von Leuchtdiodenchips ein gemeinsamer Optikkörper nachgeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls sind die Optikkörper geeignet, im Betrieb der Lichtquellen erzeugte elektromagnetische Strahlung zu einer Lichtaustrittsfläche des optischen Elements zu führen. Das heißt, die Optikkörper sind derart angeordnet, dass sie von den Lichtquellen des Moduls im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung von den Lichtquellen zu einer Lichtaustrittsfläche des optischen Elements leiten. Die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements kann dabei in einer von den Optikkδrpern separaten Komponente des optischen Elements enthalten sein. Dazu kann die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements beispielsweise durch die Oberfläche einer Abdeckplatte des optischen Elements gebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements durch die Lichtaustrittsflächen der Optikkörper gebildet ist und sich beispielsweise aus diesen zusammensetzt.
Die Lichtaustrittsfläche eines Optikkörpers ist dabei jene Fläche, durch die ein Großteil der in den Optikkörper eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung diesen wieder verlässt . Elektromagnetische Strahlung, welche die Lichtaustrittsfläche des Optikkörpers in Richtung aus dem Optikkörper hinaus durchstrahlt, kann vom Optikkörper nicht mehr optisch beeinflusst werden.
Wenn der Optikkörper durch einen Hohlkörper gebildet ist, kann es ich bei der Lichtaustrittsfläche auch um eine virtuelle oder gedachte Fläche handeln. Sobald elektromagnetische Strahlung diese Fläche in Richtung vom Optikkörper weggerichtet durchstrahlt hat, ist die Strahlung nicht mehr vom Optikkörper optisch beeinflussbar. Beispielsweise ist die gedachte Fläche durch die von der Lichtquelle abgewandte Oberkante des Optikkδrpers begrenzt.
Bevorzugt sind die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements und/oder die Lichtaustrittsflächen der Optikkörper geeignet, die durch sie tretende elektromagnetische Strahlung optisch zu beeinflussen. Diese Flächen können dann zur Strahlformung der durch das optische Element tretenden elektromagnetischen Strahlung dienen. Ferner ist es möglich, dass die Lichtaustrittsflächen des optischen Elements und/oder der Optikkörper geeignet sind, die Wahrscheinlichkeit für Totalreflexion beim Austritt von Strahlung aus dem optischen Element zu reduzieren. Die Lichtaustrittsflächen dienen dann zur Erhöhung der Strahlleistung des lichtemittierenden Moduls. Ferner kann die Komponente des optischen Elements, welche die Strahlungsaustrittsfläche umfasst, auch einen mechanischen Schutz beispielsweise der Lichtquellen vor Berührung oder Verschmutzung darstellen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls weist das lichtemittierende Modul zumindest zwei Lichtquellen auf, die auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind. Zumindest eine der Lichtquellen umfasst dabei zwei Leuchtdiodenchips, wobei jeder Lichtquelle ein Optikkörper eines optischen Elements nachgeordnet ist, und die Optikkörper geeignet sind, elektromagnetische Strahlung zu einer Lichtaustrittsfläche des optischen Elements zu führen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Iichtemittierenden Moduls umfasst zumindest einer der Optikkörper des optischen Elements einen nicht abbildenden optischen Konzentrator . Bevorzugt sind alle Optikkörper des optischen Elements durch nicht abbildende optische Konzentratoren gebildet. Bevorzugt verjüngt sich der optische Konzentrator zur Lichtquelle hin, der er nachgeordnet ist. Das heißt mit anderen Worten, seine Querschnittsfläche nimmt mit größer werdendem Abstand zur Lichtquelle zu. Der Optikkörper kann dabei aus einem Konzentrator bestehen oder zusätzlich zum Konzentrator weitere Komponenten - zum Beispiel eine Abdeckplatte - umfassen.
Der Optikkörper kann zumindest stellenweise nach Art eines der folgenden optischen Grundelemente gebildet sein: zusammengesetzter parabolischer Konzentrator (CPC - Compound Parabolic Concentrator) , zusammengesetzter elliptischer Konzentrator (CEC - Compound Elliptic Concentrator) , zusammengesetzter hyperbolischer Konzentrator (CHC - Compound Hyperbolic Concentrator) . Die Seitenflächen des Optikkörpers sind dann zumindest stellenweise nach Art eines dieser optischen Grundelemente gebildet.
Ferner ist es möglich, dass der Optikkörper zumindest stellenweise nach Art eines Kegelstumpfs oder eines Pyramidenstumpfs geformt ist, der sich zur Lichtquelle hin verjüngt . Der Optikkörper kann in all diesen Ausgestaltungen als Vollkörper ausgebildet sein. In diesem Fall findet eine Führung von elektromagnetischer Strahlung im Optikkörper zumindest teilweise mittels Totalreflexion an seinen Seitenflächen statt. Zusätzlich kann die Oberfläche des Vollkörpers zumindest stellenweise mit einem reflektierenden Material beschichtet sein.
Ferner ist es möglich, dass der Optikkörper als Hohlkörper ausgebildet ist, dessen Innenflächen reflektierend ausgestaltet sind. Zum Beispiel sind die Innenflächen des Optikkörpers dann mit einem Metall reflektierend beschichtet . Ist der Optikkörper durch einen Hohlkörper gebildet, dann ist die Lichtaustrittsfläche diejenige gedachte, ebene Fläche, welche die von der Lichtquelle abgewandte Öffnung des Optikkörpers bedeckt. Das heißt, diese Fläche verbindet die Seitenflächen des Optikkörpers an seiner Lichtaustrittsöffnung .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls umfasst der Optikkörper einen nicht abbildenden optischen Konzentrator, der als Pyramidenstumpf ausgebildet ist. Das heißt, der Optikkörper weist zum Beispiel eine rechteckige Lichteintrittsfläche und eine rechteckige Lichtaustrittsfläche auf, die durch die Seitenflächen des Optikkörpers miteinander verbunden sind.
Der Pyramidenstumpf kann dabei symmetrisch sein. Das heißt, er ist symmetrisch bezüglich einer Mittelachse, die durch das geometrische Zentrum der Lichteintrittsfläche verläuft und senkrecht auf der Lichteintrittsfläche steht. Diese Mittelachse verläuft dann auch durch das geometrische Zentrum der Lichtaustrittsfläche. Ferner ist es möglich, dass der Optikkörper durch einen asymmetrischen Pyramidenstumpf gebildet ist, bei dem die Mittelachse durch das geometrische Zentrum der Lichteintrittsfläche nicht mit der Mittelachse durch das geometrische Zentrum der Lichtaustrittsfläche zusammenfällt .
Das angegebene lichtemittierende Modul macht sich unter anderem die Erkenntnis zunutze, dass durch die Verwendung mehrerer optischer Konzentratoren als Optikkörper, die jeweils Gruppen von Leuchtdiodenchips nachgeordnet sind und durch eine gemeinsame Lichtaustrittsfläche des optischen Elements die gleiche optische Wirkung erzielt werden kann, wie wenn allen Leuchtdioden des Moduls ein einzelner, gemeinsamer optischer Konzentrator nachgeordnet wäre. Gegenüber einem solchen einzelnen optischen Konzentrator zeichnet sich das hier beschriebene lichtemittierende Modul durch eine bis zu um etwa 50 Prozent reduzierte Länge des optischen Elements aus. Das heißt, aufgrund der Verwendung mehrerer optischer Konzentratoren, können die Konzentratoren kürzer ausgeführt werden. Ein solches optisches Element ermöglicht daher ein besonders kompaktes lichtemittierendes Modul . Ferner resultiert die reduzierte Länge des optischen Elements zu einer erhöhten mechanischen Stabilität des lichtemittierenden Moduls.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls ist der Optikkörper durch einen Vollkörper gebildet. Dies erweist sich zum Beispiel als besonders vorteilhaft, wenn der Optikkörper als Pyramidenstumpf ausgeführt ist. Der als Vollkörper ausgebildete Optikkörper enthält bevorzugt ein transparentes Material mit einem Brechungsindex größer 1,4. Reflexionen an den Seitenflächen des Optikkδrpers erfolgen dann bevorzugt durch Totalreflexion. Der Optikkörper kann zum Beispiel aus einem transparentem Kunststoff oder Glas gebildet sein. Besteht der Optikkörper aus einem transparenten Kunststoff, so ist er bevorzugt spritzgegossen oder spritzgepresst . Der Optikkörper enthält dann vorzugsweise zumindest eines der folgenden Materialien oder besteht aus einem dieser Materialien: PMMA, PMMI, PC, COC (zum Beispiel Zeonex oder Topas) , Silikon.
Die Lichtaustrittsfläche des Optikkörpers ist beim als Vollkörper ausgebildeten Optikkörper bevorzugt integral mit dem Optikkörper ausgebildet. Sie kann als glatte oder als Fläche mit einer Krümmung ausgeführt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls ist das optische Element einstückig ausgebildet. Das heißt, die Optikkörper des optischen Elements, und gegebenenfalls weitere Komponenten des optischen Elements sind integral miteinander verbunden. Das optische Element ist dazu zum Beispiel mittels eines Spritzguss- oder Spritzpressverfahrens hergestellt. Die Breite des durch das Herstellungsverfahren bedingten Stegs zwischen den einzelnen Optikkörpern des optischen Elements wird dabei vorzugsweise möglichst klein gewählt. Dadurch ist sichergestellt, dass die optischen Eigenschaften des optischen Elements durch den Steg möglichst wenig beeinflusst werden. Das einstückig ausgebildete optische Element zeichnet sich aufgrund seiner Kompaktheit durch eine besonders einfache Handhabung bei der Montage des optischen Elements auf den Träger des lichtemittierenden Moduls aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls ist das optische Element des Moduls mehrstückig ausgebildet. Das heißt, Komponenten des optischen Elements sind gesondert voneinander gefertigt. Auch diese Komponenten können beispielsweise spritzgegossen oder spritzgepresst sein. Bevorzugt sind die Optikkörper des optischen Elements dabei getrennt voneinander gefertigt. Die Optikkörper können Lichtaustrittsflächen aufweisen, die beim zusammengesetzten optischen Element die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements bilden. Ferner ist es möglich, dass die Komponente, welche die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements enthält, separat von den Optikkδrpern gefertigt ist oder sowohl die Optikkörper separat voneinander gefertigt sind als auch die Komponente, die die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements umfasst . Bei separat gebildeten Optikkörpern kann vorteilhaft ein Steg zwischen den Optikkörpern entfallen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls ist die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements durch eine konvexe Fläche gebildet, die sich über die Lichtaustrittsflächen der Optikkörper erstreckt. Die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements kann dabei beispielsweise über die Optikkδrper des optischen Elements gewölbt sein. Mit anderen Worten überspannt die Lichtaustrittsfläche die Optikkörper dann im Sinne einer Kuppel . Die Lichtaustrittsfläche kann in dieser Ausführungsform Teil einer separaten Komponente des optischen Elements sein, die getrennt von den Optikkörpern gefertigt ist - beispielsweise eine gewölbte Abdeckplatte des optischen Elements .
Es ist aber auch möglich, dass die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements stellenweise durch Lichtaustrittsflächen der Optikkörper gebildet ist. In diesem Fall setzt sich die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements aus Lichtaustrittsflächen der Optikkörper zusammen. Beispielsweise kann jeder der Optikkδrper eine Lichtaustrittsfläche aufweisen, die einen Teil der Lichtaustrittsfläche des optischen Elements bildet . Das zusammengesetzte optische Element weist dann eine Lichtaustrittsfläche auf, die sich über die Lichtaustrittsflächen der Optikkörper erstreckt und aus diesen besteht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls weist das optische Element des Moduls eine Lichtaustrittsfläche mit konvexen Teilbereichen auf, die durch konkave Teilbereiche miteinander verbunden sind. Die konvexen Teilbereiche können sich dabei über die Lichtaustrittsflächen mehrerer Optikkδrper erstrecken. Es ist aber auch möglich, dass konvexe Teilbereiche den Optikkörpern eineindeutig zugeordnet sind. In diesem Fall kann zum Beispiel jedem Optikkδrper eine Wölbung der Lichtaustrittsfläche des optischen Elements nachgeordnet sein, die dann hauptsächlich die durch diesen Optikkörper tretende elektromagnetische Strahlung optisch beeinflusst . Konkave Teilbereiche, welche die konvexen Teilbereiche miteinander verbinden, umfassen dabei sowohl konkav gekrümmte Teilbereiche der Lichtaustrittsfläche des optischen Elements als auch Spitzen, Kerben und andere Einbuchtungen der Lichtaustrittsfläche. Weiter ist es möglich, dass die konvexen Teilbereiche durch ebene Flächenabschnitte der Lichtaustrittsfläche des optischen Elements miteinander verbunden sind.
Neben ihren optischen Eigenschaften erweist sich eine gekrümmte Lichtaustrittsfläche auch bei der Herstellung des Optikkörpers als vorteilhaft. Ist der Optikkörper ein Vollkörper, so können bei der Herstellung eines Optikkörpers mit ebener Lichtaustrittsfläche unkontrollierbare Produktionsschwankungen beim Aushärten des Optikkörpers auftreten. Das heißt, die Lichtaustrittsfläche weist dann in nicht vorgebbarer Weise konvex und konkav gekrümmte Teilbereiche auf. Eine gekrümmte Lichtaustrittsfläche mit einem vorgegebenen Krümmungsradius ermöglicht hingegen, dass sich die Lichtaustrittsfläche selbst stabilisiert. Bevorzugt weisen gekrümmte Teilbereiche der Lichtaustrittsfläche dazu einen Krümmungsradius von wenigstens 100mm, bevorzugt wenigstens 50mm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls ist die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements aus den Lichtaustrittsflächen der Optikkörper zusammengesetzt. Das heißt, die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements ist keine separate Komponente des optischen Elements, sondern sie setzt sich aus mehreren Teilen zusammen, die jeweils für sich Lichtaustrittsflächen eines Optikkörpers bilden. Dies ist bevorzugt der Fall, wenn das optische Element mehrstückig ausgebildet ist, und die Optikkörper separat voneinander gefertigt sind. Die Optikkörper können dann jeweils beispielsweise konvex gekrümmte Lichtaustrittsflächen aufweisen. Die Optikkörper sind dazu derart ausgebildet, dass sich die
Lichtaustrittsflächen der Optikkörper beim zusammengesetzten optischen Element formschlüssig zu einer Lichtaustrittsfläche des optischen Elements ergänzen.
Dabei kann zum Beispiel auch eine Lichtaustrittsfläche des optischen Elements, die sich als eine gewölbte Fläche über alle Optikkörper erstreckt, durch die Lichtaustrittsflächen der Optikkörper gebildet sein. Licht, das durch die Lichteintrittsfläche in einen Optikkörper tritt kann dann mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durch die Strahlungsaustrittsfläche eines anderen Optikkörpers, der beispielsweise benachbart angeordnet ist, austreten.
Insgesamt bildet die zusammengesetzte Lichtaustrittsfläche des optischen Elements damit ein optisches Grundelement - beispielsweise eine Konzentratorlinse - für das gesamte optische Element. Das heißt, eine gemeinsame
Konzentratorlinse für das Licht aller Lichtquellen des Moduls entsteht erst durch das Zusammensetzen der einzelnen Optikkörper. Mit anderen Worten sind die optischen Eigenschaften der Lichtaustrittsfläche des optischen Elements nicht durch eine einfache Addition der optischen Eigenschaften der Lichtsaustrittsflächen separater Optikkörper gegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls weist das lichtemittierende Modul zumindest einen Optikkörper auf, dessen Lichteintrittsfläche eine Antireflexionsbeschichtung aufweist, die ein dielektrisches Material umfasst . Diese Beschichtung dient zur Entspiegelung der Lichteintrittsfläche des Optikkδrpers und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit für den Lichteintritt in den Optikkörper. Bevorzugt sind Lichteintrittsflächen aller Optikkδrper des optischen Elements auf diese Art beschichtet. Ferner ist es möglich, dass auch die Lichtaustrittsfläche des Optikkδrpers und/oder die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements eine derartige Beschichtung aufweist. Beispielsweise kann die Beschichtung der Lichtdurchtrittsflachen des optischen Elements mittels eines Tauchbeschichtungsverfahrens erfolgen. Dazu eignen sich insbesondere poröse SoI-Gel- Schichten, die eine besonders kostengünstige Beschichtung des Kunststoffs oder Glas, aus dem die Komponenten des optischen Elements gefertigt sind, erlauben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls weist die Lichteintrittsfläche zumindest eines Optikkörpers eine periodische Mikrostrukturierung auf, die geeignet ist, die Reflexion von elektromagnetischer Strahlung zu verringern. Eine solche periodische Mikrostrukturierung kann zum Beispiel alternativ oder zusätzlich zu einer Antireflexionsbeschichtung erfolgen. Durch Anpassung von Periode und Tiefe der periodischen Mikrostruktur kann die Entspiegelung auf den gewünschten Wellenlängenbereich optimiert sein. Ist die periodische Mikrostrukturierung beispielsweise wellenförmig mit einer Periode zwischen drei und sieben μm und einer Tiefe zwischen sechs und neun μm ausgeführt, so eignet sich die Strukturierung besonders gut für eine Entspiegelung im Wellenlängenbereich von zehn bis zwanzig μm. Mit entsprechend gewählter Periode der Mikrostrukturierung ist auch eine Entspiegelung im sichtbaren Bereich möglich. Dabei ist die Periodenlänge der Strukturierung vorzugsweise kleiner als die zu entspiegelnden Wellenlängen.
Beispielsweise kann die Strukturierung durch die Abformung holographisch erzeugter Stempel in das Material des Optikkörpers erfolgen, der in diesem Fall bevorzugt als Vollkörper ausgebildet ist. Neben den Lichteintrittsflächen der Optikkörper können auch weitere Lichtdurchtrittsflachen des optischen Elements wie die Lichtaustrittsfläche des Optikkörpers und/oder des optischen Elements eine solche periodische Mikrostrukturierung zur Entspiegelung aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls ist zumindest einer der Leuchtdiodenchips des Moduls frei von einer Vergussmasse. Das heißt, diesem Leuchtdiodenchip ist kein beispielsweise epoxydharz- oder silikonhaltiger Verguss nachgeordnet. Der Leuchtdiodenchip ist also nicht in einer Vergussmasse eingebettet. Die Lichtauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips ist frei zugänglich. Diesem Leuchtdiodenchip ist die
Lichteintrittsfläche eines Optikkörpers nachgeordnet, so dass Licht des Leuchtdiodenchips in den Optikkörper einstrahlt, ohne vorher eine Vergussmasse durchstrahlt zu haben. Dies ermöglicht das Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung in den Optikkörper, ohne dass eine Teilabsorption der elektromagnetischen Strahlung in einer Vergussmasse stattfindet. Weiter kann es nicht zu einer Alterung oder einem Ablösen der Vergussmasse kommen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls ist zwischen der Lichtauskoppelfläche eines Leuchtdiodenchips des Moduls und der Strahlungseintrittsfläche des dem Leuchtdiodenchip zugeordneten Optikkörpers ein Luftspalt angeordnet. Das heißt, Lichteintrittsfläche des Optikkδrper und Lichtauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips sind nicht durch eine Vergussmasse oder ein Material zur Anpassung des Brechungsindex, zum Beispiel ein Index-Matching-Gel miteinander verbunden, sondern es befindet sich ein Spalt zwischen diesen Flächen, der vorzugsweise mit Luft gefüllt ist. Dabei ist möglich, dass der Leuchtdiodenchip einen dünnen Verguss aufweist, der sich nicht bis zur Lichteintrittsfläche des Optikkörpers hin erstreckt oder dass der Leuchtdiodenchip vergussfrei ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls beträgt der Abstand zwischen Lichteintrittsfläche eines Optikkörpers des optischen Elements und der Lichtaustrittsfläche zumindest eines Leuchtdiodenchips maximal 250 μm, bevorzugt maximal 200 μm, besonders bevorzugt maximal 100 μm. Der Abstand ist bei einem vergussfreien Leuchtdiodenchip dabei lediglich durch einen eventuellen Kontaktierungsdraht , über den der Leuchtdiodenchip beispielsweise n-seitig elektrisch kontaktiert ist, begrenzt. Ein derart geringer Abstand zwischen Lichteintrittsfläche des Optikkörpers und Lichtauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips ermöglicht die Einkopplung eines möglichst großen Anteils des vom Leuchtdiodenchip emittierten Lichts in den Optikkörper.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls weist das optische Element einen Halter auf, an dem die Optikkörper befestigt sind. Bei dem Halter kann es sich um eine separate Komponente des optischen Elements handeln oder der Halter ist einstückig mit dem optischen Element ausgebildet. Bevorzugt sind die Optikkδrper an ihren, den Lichteintrittsflächen abgewandten Seiten, an diesem Halter befestigt . Die Optikkörper können zum Beispiel am Halter angeklebt, eingerastet oder eingelegt sein. Weiter ist es möglich, dass die Optikkörper integral mit dem Halter verbunden sind. In diesem Fall können die Optikkörper gemeinsam mit dem Halter in einem Spritzguss- oder Spritzpressverfahren gefertigt sein. Weiter ist es möglich, dass auch eine Komponente des optischen Elements - zum Beispiel eine Abdeckplatte, die die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements beinhaltet, am Halter befestigt ist oder mit diesem integral ausgebildet ist. Der Halter ist bevorzugt rahmenartig, boxartig oder nach Art eines Hohlzylinders mit runder oder ovaler Grundfläche ausgeführt. Die Komponenten des optischen Elements, wie beispielsweise die Optikkörper, sind dann bevorzugt an der dem Träger des Moduls abgewandten Seite des Halters an diesem befestigt .
Der rahmenförmige Halter macht sich dabei unter anderem die Erkenntnis zu nutze, dass thermische Verspannungen des optischen Elements von solch einem Halter besonders gut kompensiert werden. Erwärmt sich zum Beispiel das optische Element beim Betrieb der Lichtquellen, so dehnt sich der auf dem Träger befestigte Halter vom Träger weggerichtet aus. Die Optikkörper, die bevorzugt an der dem Träger abgewandten Seite des Halters befestigt sind, dehnen sich von der dem Träger abgewandten Seite des Halters zum Träger hin aus . Auf diese Weise können sich die thermischen Ausdehnungen des Halters vom Träger weg und des Optikkörpers zum Träger hin ausgleichen. Der Abstand der Lichtauskoppelflächen der Leuchtdiodenchips von den Lichteintrittsflächen der Optikkörper bleibt auf diese Weise zumindest annähernd konstant. Bevorzugt weisen Halter und Optikkörper dabei
I aneinander angepasste thermische Ausdehnungskoeffizienten auf und sind dazu beispielsweise aus dem gleichen Material gebildet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls umschließt der Halter die Optikkörper des optischen Elements von zumindest vier Seiten. In diesem Fall erstrecken sich Seitenflächen des Halters entlang der Optikkörper. Der Halter kann dazu beispielsweise nach Art einer Box oder eines Hohlzylinders ausgebildet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls umschließt der Halter die Lichtquellen von zumindest vier Seiten. Dazu kann der Halter beispielsweise boxartig ausgebildet sein. Die Seitenflächen des Halters stehen dazu zumindest stellenweise in Kontakt mit dem Träger des Moduls - zum Beispiel liegen sie auf dem Träger auf. Auf diese Weise stellt der Halter einen mechanischen Schutz der Lichtquellen, die zum Beispiel unvergossene Leuchtdiodenchips umfassen, dar.
Es wird ferner ein optisches Projektionsgerät angegeben. Vorzugsweise weist das optische Projektionsgerät zumindest ein lichtemittierendes Modul gemäß zumindest einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auf . Bevorzugt weist das optische Projektionsgerät mehrerer solcher lichtemittierenden Module auf, die zum Beispiel geeignet sein könne, Licht unterschiedlicher Farben zu erzeugen. So kann eines der Module geeignet sein, Licht im grünen Spektralbereich zu emittieren. Ein weiteres Modul kann geeignet sein, Licht im roten Spektralbereich zu emittieren. Ein drittes Modul kann geeignet sein, Licht im blauen Spektralbereich zu erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts sind die lichtemittierenden Module an den Seitenflächen eines dichroitischen Strahlverteilers (X-Cube) angeordnet. Wird in diesen X-Cube an drei unterschiedlichen Seitenflächen rotes, blaues und grünes Licht zu gleichen Zeiten und mit geeigneten Intensitäten eingestrahlt, so verlässt weißes Mischlicht den X-Cube durch eine weitere Seitenfläche .
Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel des optischen Projektionsgeräts kann das optische Projektionsgerät weiter eine bildgebende Einheit wie zum Beispiel ein Array aus getrennt ansteuerbaren Mikrospiegeln (digital mirror device - DMD) oder eines LCD-Pannels enthalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optischen Projektionsgeräts kann das optische Projektionsgerät eine Projektionslinse enthalten, die geeignet ist, das aus zumindest einem der lichtemittierenden Module stammende Licht auf eine Projektionsfläche zu projizieren.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des lichtemittierenden Moduls sowie des optischen Projektionsgerätes ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen :
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Perspektivskizze eines ersten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen lichtemittierenden Moduls,
Figur 2A eine schematische Perspektivskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen lichtemittierenden Moduls,
Figur 2B eine schematische Perspektivskizze des optischen Elements für das zweite Ausführungsbeispiel des lichtemittierenden Moduls,
Figur 2C eine schematische Schnittdarstellung des optischen Elements, wie es in Figur 2A gezeigt ist, aus einer ersten Richtung gesehen, Figur 2D eine schematische Schnittdarstellung des optischen Elements, wie es in Figur 2A gezeigt ist, aus einer zweiten Richtung gesehen,
Figur 3 eine schematische Perspektivskizze eines dritten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen lichtemittierenden Moduls,
Figur 4A eine schematische Perspektivskizze eines vierten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen lichtemittierenden Moduls,
Figuren 4B und 4C schematische Perspektivskizzen von Optikkörpern des optischen Elements des vierten Ausführungsbeispiels ,
Figur 4D eine schematische Schnittdarstellung eines Optikkörpers wie er im vierten Ausführungsbeispiel des Moduls Verwendung findet,
Figur 5 den Verlauf einer optimierten Lichtaustrittsfläche für ein Ausführungsbeispiel des optischen Elements,
Figuren 6A und 6B schematische Schnittdarstellungen von Optikkörpern für Ausführungsbeispiele des optischen Elements,
Figuren 7A, 7B und 7C schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen des optischen Elements, und
Figur 8 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen optischen Proj ektionsgerätes . In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt .
Figur 1 zeigt eine schematische Perspektivskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen lichtemittierenden Moduls.
Das lichtemittierende Modul 20 des ersten Ausführungsbeispiels weist zwei Lichtquellen 1 auf. Die Lichtquellen 1 umfassen jeweils zwei mal drei Leuchtdiodenchips 2. Jeder Lichtquelle 1 ist der Optikkörper 3 eines optischen Elements 5 nachgeordnet.
Bei den Optikkörpern 3 des Ausführungsbeispiels der Figur 1 handelt es sich um nichtabbildende Konzentratoren, die nach Art einer weiter oben beschriebenen CPC-Optik ausgebildet sind. Bevorzugt sind diese Konzentratoren als Vollkörper ausgeführt, so dass die Seitenwände durch totale interne Reflexion das Licht von der Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche 4 führen.
Die Optikkörper 3 führen das Licht der Lichtquellen 1 zu einer Abdeckplatte des optischen Elements 5, die die Strahlungsaustrittsfläche 4 des optischen Elements 5 umfasst . Die Strahlungsaustrittsfläche 4 des optischen Elements 5 ist dabei den Strahlungsaustrittsflächen 40 der Optikkörper 3 nachgeordnet . Die Optikkörper 3 und die Strahlungsaustrittsflache 4 sind an einem Halter 13 befestigt, der Passstifte 8 umfasst. Die Passstifte 8 greifen in korrespondierende Ausnehmungen 6 des Trägers 7 des lichtemittierenden Moduls 20. Die Passstifte 8 tragen dabei zur mechanischen Befestigung und/oder zur Justage des optischen Elements 5 auf den Träger 7 bei.
Der Träger 7 ist beispielsweise durch eine Metallkernplatine gebildet, die Bohrungen 12 aufweisen kann, über die der Träger 7 auf einen Modulträger (nicht gezeigt) befestigt, zum Beispiel aufgeschraubt werden kann. Dabei enthält die Metallkernplatine bevorzugt gut Wärme leitende Metalle wie Aluminium oder Kupfer .
Der Träger 7 weist' Leiterbahnen 9 auf, die eine Steckverbindung 10, mittels der das Modul von außen elektrisch kontaktiert werden kann, mit den Lichtquellen 1 verbinden.
Die Leuchtdiodenchips 2 der Lichtquellen 1 sind zum Beispiel auf einen Keramikträger 11 aufgebracht, der Durchkontaktierungen (Vias) aufweist, um die Leuchtdiodenchips 2 mit den Leiterbahnen 9 des Trägers 7 zu kontaktieren. Die Strahlungsauskoppelfläche eines Leuchtdiodenchips 2 einer Lichtquelle 1 weist beispielsweise eine Fläche von circa einem mm2 auf. Der Abstand der Leuchtdiodenchips 2 einer Lichtquelle 1 untereinander beträgt bevorzugt weniger als 100 μm.
Bei den Leuchtdiodenchips 2 handelt es sich besonders bevorzugt um so genannte Dünnfilmleuchtdiodenchips . Das heißt, wenigstens ein Leuchtdiodenchip 2 weist eine Lichtauskoppelfläche auf, durch die ein Großteil der vom Leuchtdiodenchip 2 emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgekoppelt wird. Besonders bevorzugt tritt die gesamte vom Leuchtdiodenchip 2 emittierte Strahlung durch die Lichtauskoppelfläche aus. Die Lichtauskoppelfläche ist beispielsweise durch einen Teil der Oberfläche des Leuchtdiodenchips 2 gegeben. Bevorzugt ist die Strahlungsauskoppelfläche durch eine Hauptfläche des Leuchtdiodenchips 2 gegeben, die beispielsweise parallel zu einer Epitaxieschichtenfolge des Leuchtdiodenchips 2 angeordnet ist, welche geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
Dazu kann die Epitaxieschichtenfolge beispielsweise einen pn- Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach- Quantentopf oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur kann jegliche Struktur umfassen, bei der Ladungsträger durch Einschluss ( "confinement " ) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung QuantentopfStruktur keine Angabe über die Dirπensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter Anderem Quantentrδge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Leuchtdiodenchip 2 um einen Leuchtdiodenchip bei dem das Aufwachssubstrat zumindest teilweise entfernt ist und auf dessen dem ursprünglichen Aufwachssubstrat abgewandte Oberfläche ein Trägerelement aufgebracht ist. Das Trägerelement kann, verglichen mit einem
Aufwachssubstrat, relativ frei gewählt werden. Bevorzugt wird ein Trägerelement gewählt, das hinsichtlich seines Temperaturausdehnungskoeffizienten besonders gut an die Strahlungserzeugende Epitaxieschichtenfolge angepasst ist . Weiter kann das Trägerelement ein Material enthalten, das besonders gut Wärme leitend ist. Auf diese Weise wird die im Betrieb vom Leuchtdiodenchip 2 erzeugte Wärme besonders effizient an den Träger 7 abgeführt.
Solche, durch das Entfernen des Aufwachssubstrats hergestellten Leuchtdiodenchips 2, werden oftmals als Dünnfilmleuchtdiodenchips bezeichnet und zeichnen sich bevorzugt durch zumindest eines der folgenden Merkmale aus :
An einer zum Trägerelement hingewandten ersten Hauptfläche der Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert.
- Die Epitaxieschichtenfolge weist bevorzugt eine Dicke von maximal 20 μm, besonders bevorzugt von maximal 10 μm auf.
Weiter enthält die Epitaxieschichtenfolge bevorzugt mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist. Im Idealfall führt diese Durchmischungsstruktur zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der Epitaxieschichtenfolge, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch, stochastisches Streuverhalten auf. Ein Grundprinzip eines Dünnfilmleuchtdiodenchips ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer at al . , Appl . Phys. Lett. 63(16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt das Grundprinzip eines Dünnfilmleuchtdiodenchips betreffend hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Der Abstand zwischen den Zentren der beiden Lichtquellen 1 des lichtemittierenden Moduls 20 beträgt im Ausführungsbeispiel der Figur 1 zwischen fünf und sechs mm.
Figur 2A zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen lichtemittierenden Moduls 20.
Im Unterschied zum in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das lichtemittierende Modul 20 der Figur 2A einen boxenartig ausgebildeten Halter 13 des optischen Elements 5 auf. Das heißt, das optische Element 5 weist einen Halter 13 auf (siehe auch die Schnittansicht entlang der Linien AA' der Figur 2B und die Schnittansicht entlang der Linien BB' der Figur 2C) , der die Lichtquellen 1 und die Optikkörper 3 von vier Seiten umschließt. Dabei liegen Seitenflächen des Halters 13 stellenweise auf dem Träger 7 auf. Damit stellt das optische Element 5 der Figur 2A einen mechanischen Schutz der Leuchtdiodenchips 2 und der Optikkörper 3 dar. Die Leuchtdiodenchips 2 können daher beispielsweise vergussfrei sein. Die Lichteintrittsflächen 14 der Optikkörper 3 sind bevorzugt in einem Abstand zwischen 100 und 250 μm von der Strahlungsauskoppelflache der Leuchtdiodenchips 2 angeordnet. Der Spalt zwischen Leuchtdiodenchips 2 und Lichteintrittsfläche 14 ist vorzugsweise mit Luft gefüllt. Die Optikkörper 3 des optischen Elements 5 sind im Ausführungsbeispiel der Figur 2A bevorzugt separat voneinander gefertigte Vollkörper, die am Halter 13 befestigt sind. Sie weisen jeweils eine Strahlungsaustrittsfläche 40 auf. Die Strahlungsaustrittsflächen 40 der Optikkörper 3 ergänzen sich zur Strahlungsaustrittsfläche 4 des optischen Elements 5 (siehe auch die schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 2C und 2D) . Dabei ist es möglich, dass Licht, das durch die Strahlungseintrittsfläche 14 eines Optikkörpers 3 eintritt, durch die Strahlungsaustrittsfläche eines anderen Optikkörpers aus dem optischen Element 5 austritt. Beispielsweise handelt es sich bei den Optikkδrpern 3 um PyramidenstumpfOptiken. Das Licht des zu zwei Lichtquellen 1 aufgeteilten Arrays von Leuchtdiodenchips 1 wird dann von den Optikkδrpern 3 eingesammelt und auf eine rechteckige Lichtaustrittsfläche 4 des optischen Elements 3 umverteilt.
Das optische Element 5 ist bevorzugt mittels Passstiften 8, die einen sternförmigen Querschnitt aufweisen, auf dem Träger 7 befestigt und/oder justiert. Die Länge des Trägers 7 beträgt im in Verbindung mit Figur 2A gezeigten Ausführungsbeispiel des lichtemittierenden Moduls 20 circa 4,0 cm . Die Breite beträgt circa 2,5 Zentimeter. Die Höhe des optischen Elements 5 beträgt vom Träger bis zum Scheitelpunkt der Strahlungsaustrittsfläche 4 circa 2,5 cm. Jeder Optikkörper 3 ist dabei einem Array von 2 x 3 Leuchtdiodenchips 2 nachgeordnet . Im Vergleich dazu müsste ein einzelner Optikkörper, der zwölf Leuchtdiodenchips nachgeordnet ist, circa die doppelte Länge aufweisen, um die gleiche optische Wirkung zu erzielen wie das optische Element 5 wie es in Verbindung mit Figur 2B beschrieben ist . Figur 3 zeigt eine schematische Perspektivskizze eines dritten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen lichtemittierenden Moduls. In diesem Ausführungsbeispiel ist das optische Element 5 einstückig ausgebildet . Zwischen den Optikkörpern 3, die als Pyramidenstümpfe ausgebildet sind, befindet sich bedingt durch das Herstellungsverfahren ein Steg 17. Der Steg 17 ist vorzugsweise besonders dünn gewählt, um die optischen Eigenschaften des optischen Elements 5 möglichst kaum zu beeinflussen. Bevorzugt beträgt die Breite des Stegs 17 höchstens 0,25 mm.
Figur 4a zeigt eine schematische Perspektivskizze eines vierten Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen lichtemittierenden Moduls. Die Figuren 4B und 4C zeigen schematische Perspektivdarstellungen der Optikkörper 3 dieses Moduls. Die Optikkörper 3 sind an einem Halter 13 befestigt. Ihre Lichtaustrittsflächen 40 ergänzen sich zur Lichtaustrittsfläche 4 des optischen Elements 3. Dabei ist es möglich, dass Strahlung, die an der Lichteintrittsfläche 14 des einen Optikkörpers 3 eingekoppelt wird durch die Strahlungsaustrittsfläche 40 des anderen Optikkörpers aus dem Modul austritt . Die zusammengesetzte Lichtaustrittsfläche 4 stellt daher eine Lichtaustrittsfläche für das gesamten Modul 20 dar.
Die Optikkörper 3 des optischen Elements 5 weisen in diesem Ausführungsbeispiel asymmetrische Pyramidenstümpfe 3a als optischen Konzentratoren auf. Das heißt, eine Mittelachse, die senkrecht zur Strahlungseintrittsfläche 14 durch deren geometrisches Zentrum verläuft fällt nicht mit einer Mittelachse zusammen, die durch das geometrische Zentrum der Lichtaustrittsfläche 40 läuft. Die Lichtaustrittsfläche 4 des optischen Elements dient dabei vorzugsweise als Konzentratorlin.se . Ihre dezentrale Anordnung relativ zur Strahlungseintrittsfläche 14 des Optikkörpers 3 trägt zur Kompensation der Asymmetrie des Pyramidenstumpfes 3a, der den Optikkörper 3 bildet, bei. Figur 4D zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung des optischen Elements 3 anhand von Beispielsstrahlen wie eine dezentralisierte linsenförmige Lichtaustrittsfläche 40 die Asymmetrie des asymmetrischen Pyramidenstumpfes 3a kompensieren kann.
Figur 5 zeigt einen optimierten Verlauf der
Strahlungsaustrittsfläche 40 für einen Optikkörper wie er zum Beispiel in Verbindung mit den Figuren 6A und 6B gezeigt ist. Figur 5 zeigt den Verlauf der Strahlungsaustrittsfläche 40 von der Mitte bis zum Rand. Figur 5 gibt dabei die Pfeilhδhe (Sag) in Millimeter abhängig vom Radius an. Die Lichtaustrittsfläche 40 des Optikkörpers 3 ist beispielsweise mittels eines Raytracing-Verfahrens optimiert. Tabelle 1 gibt dazu die Koordinaten ausgewählter Punkte auf der Strahlungsaustrittsfläche 40 eine Optikkörpers 3 an.
Figur 6A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Optikkδrpers 3 mit Strahlungsaustrittsfläche 40. Die Länge des Pyramidenstumpfes 3a beträgt dabei beispielsweise circa 18 mm. Die Dicke der Abdeckplatte 3b, die dem Pyramidenstumpf 3a nachfolgt und mit diesem bevorzugt integral ausgebildet ist, beträgt circa 2,5 mm. Die Länge des Optikkörpers 3 von der Strahlungseintrittsfläche 14 bis zum Scheitelpunkt der Strahlungsaustrittsfläche 40 beträgt circa 22 mm. Die Strahlungsaustrittsfläche 40 des Optikkörpers 3, wie er in Figur 6A gezeigt ist, weist dabei eine konvexe Krümmung 15 auf . Figur 6B zeigt eine schematische Schnittdarstellung von Optikkörpern 3, die an ihren Strahlungsaustrittsflächen 40 miteinander verbunden sind. Die Strahlungsaustrittflächen 40 der Optikkörper 3 ergänzen sich zur
Strahlungsaustrittsfläche 4 eines optischen Elements 5. Die Strahlungsaustrittsfläche 4 des optischen Elements weist konvex gekrümmte Teilbereiche 15 und konkav gekrümmte Teilbereiche 16 auf.
Die Figuren 7A, 7B und IC zeigen schematische Schnittdarstellungen von optischen Elementen 5 die jeweils" zwei Lichtquellen 1 nachgeordnet sind.
Die Optikkörper 3 der Figur 7A weisen jeweils ebene Lichtaustrittsflächen 40 auf, die zusammen eine ebene Lichtaustrittsfläche 4 eines optischen Elements 5 bilden.
Figur 7B zeigt zwei Optikkörper 3 die jeweils eine gekrümmte Lichtaustrittsfläche 40 aufweisen. Die Lichtaustrittsflächen 40 der Optikkörper 3 ergänzen sich zu einer Lichtaustrittsfläche 4 des optischen Elements 5, die über beide Optikkδrper 3 gewölbt ist und sich kuppelartig über die Optikkörper 3 erstreckt .
Figur 7C zeigt zwei Optikkörper 3, bei denen die Lichtaustrittsflächen 40 jeweils nach Art einer Linse gewölbt sind. Die aus den Lichtaustrittsflächen 40 der Optikkörper 3 zusammengesetzte Lichtaustrittsfläche 4 des optischen Elements 5 weist konvexe Teilbereiche 15 und einen konkaven Teilbereich 16 auf, der die konvexen Teilbereiche 15 miteinander verbindet. Der konkave Teilbereich 16 ist an der Stelle, an der sich die Optikkδrper 3 berühren, durch einen spitz zulaufenden Graben gegeben, der sich in der Strahlungsaustrittsfläche 4 des optischen Elements 3 erstreckt .
Bevorzugt sind die optischen Elemente 5 der Figuren 7A bis 7B jeweils zweiteilig ausgeführt und an den Strahlungseintrittsflächen 40 der Optikkörper 3 zusammengesetzt. Die Optikköper 3 können miteinander verklebt sind und / oder sie sind durch eine Halter 13 zusammengehalten .
Die Strahlungseintrittsflächen 14 sowie die Strahlungsaustrittsflächen 40 der Optikkörper 3 können zusätzlich Beschichtungen (nicht gezeigt) oder periodische Mikrostrukturierungen („Mottenaugenstrukturen") aufweisen, die zur Entspiegelung dieser Lichtdurchtrittsflachen geeignet sind. Bei der Beschichtung insbesondere der
Lichteintrittsfläche 14 der Optikkörper 3 ist wegen der Nähe zu den im Betrieb wärmeerzeugenden Lichtquellen auf eine besonders hohe Wärme- und Wärmewechselbeständigkeit zu achten.
Figur 8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des hier beschriebenen optischen Projektionsgeräts. Das optische Projektionsgerät weist drei lichtemittierende Module 20 auf, wie sie beispielsweise in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben sind. Eines der Module 20a ist beispielsweise geeignet, rotes Licht zu erzeugen. Ein weiteres Modul 20b kann geeignet sein, blaues Licht zu erzeugen. Das dritte Modul 20c kann geeignet sein, grünes Licht zu erzeugen. Die Module 20a bis 20c sind an den Seitenflächen eines X-Cubes 30 angeordnet, in den sie ihr Licht einstrahlen können. Je nach dem welche der Module gleichzeitig leuchten, verlässt Strahlung 34 den X-Cube 30. Die Strahlung 34 trifft auf ein Array aus getrennt voneinander ansteuerbaren Mikrospiegeln 31, das als bildgebendes Element dient. Alternativ können LCD - Panneis zwischen den Modulen 20a bis 20c und dem X-Cube als bildgebende Elemente angeordnet sein. Ein Teil der von den Mikrospiegeln reflektierten Strahlung 35 tritt durch eine Projektionslinse 32 und wird von dort auf einen Projektionsschirm projiziert.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 102005041319.6 und 102005054955.1-51, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung 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 von Merkmalen selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtemittierendes Modul (20), mit zumindest zwei Lichtquellen (1) , die auf eine gemeinsamen Träger (7) aufgebracht sind, wobei
• - zumindest eine der Lichtquellen (1) wenigstens zwei Leuchtdiodenchips (2) umfasst,
- jeder Lichtquelle (1) ein Optikkörper (3) eines optischen Elements (5) nachgeordnet ist, und
- die Optikkörper (3) geeignet sind, elektromagnetische Strahlung zu einer Lichtaustrittsfläche (4) des optischen Elements (5) zu führen.
2. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem zumindest einer der Optikkörper (3) einen nicht abbildenden optischen Konzentrator umfasst.
3. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest einer der Optikkörper (3) eine Pyramidenstumpf-Optik (3a) umfasst.
4. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest einer der Optikkörper (3) eine asymmetrische Pyramidenstumpf-Optik umfasst.
5. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest einer der Optikkörper (3) als Vollkörper ausgebildet ist.
6. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das optische Element (5) mehrstückig ausgebildet ist .
7. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das optische Element (5) einstückig ist.
8. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Lichtaustrittsfläche (4) des optischen Elements (5) durch eine konvexe Fläche (15) gebildet ist, die sich über die Lichtaustrittsflächen (40) der Optikkörper (3) erstreckt.
9. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Lichtaustrittsfläche (4) des optischen Elements (5) konvexe Teilbereiche (15) aufweist, die durch konkave Teilbereiche (16) miteinander verbunden sind.
10. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Lichtaustrittsfläche (4) des optischen Elements (5) konvexe Teilbereiche (15) aufweist, die durch ebene Flächen miteinander verbunden sind.
11. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Lichtaustrittsfläche (4) des optischen Elements (5) aus den Lichtaustrittsflächen (40) der Optikkörper (3) zusammengesetzt ist.
12. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Lichteintrittsfläche (14) zumindest einer der Optikkörper (3) eine Anti-Reflektionsbeschichtung aufweist, die ein dielektrisches Material umfasst.
13. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Lichteintrittsfläche (14) zumindest einer der Optikkörper (3) eine periodische Mikrostrukturierung aufweist, die geeignet ist, die Reflektion von elektromagnetischer Strahlung zu vermindern.
14. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Lichtaustrittsfläche (4) des optischen Elements (5) eine Anti-Reflektionsbeschichtung aufweist, die ein dielektrisches Material umfasst.
15. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Lichtaustrittsfläche (4) des optischen Elements (5) eine periodische Mikrostrukturierung aufweist, die geeignet ist, die Reflektion von elektromagnetischer Strahlung zu vermindern.
16. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest ein Leuchtdiodenchip (2) unvergossen ist.
17. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zwischen einer Lichtauskoppelfläche zumindest eines Leuchtdiodenchips (2) und einer Lichteintrittsfläche (14) eines Optikkörpers (3) ein Spalt angeordnet ist, der Luft enthält.
18. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Abstand zwischen der Lichtauskoppelfläche zumindest eines Leuchtdiodenchips (2) und der Lichteintrittsfläche (14) eines Optikkörpers (3) maximal 250 μm beträgt .
19. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Halter (13), an dem die Optikkörper (3) befestigt sind.
20. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Optikkörper (3) integral mit dem Halter (13) verbunden sind .
21. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Halter (13) die Optikkörper (3) von zumindest vier Seiten umschließt.
22. Lichtemittierendes Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Halter (13) die Lichtquellen (1) von zumindest vier Seiten umschließt.
23. Optisches Projektionsgerät mit einem lichtemittierenden Modul (20) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche und einer Projektionsoptik (32) , die dem lichtemittierenden Modul (20) nachgeordnet ist.
EP06791329A 2005-08-31 2006-08-31 Lichtemittierendes modul insbesondere zur verwendung in einem optischen projektionsgerät und optisches projektionsgerät Withdrawn EP1920286A2 (de)

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