專利名稱：Led投影儀和方法
LED投影儀和方法
背景技術：
照明系統(tǒng)用于包括投影顯示系統(tǒng)、液晶顯示器的背光源等等在內的多種不同的應用中。投影系統(tǒng)通常使用一個或多個傳統(tǒng)的白色光源，例如高壓汞燈。白光束通常被分為三原色，紅色、綠色和藍色，然后被引導向各自的成像空間光調制器，以生成各原色的圖像。 所得原色圖像光束被組合并投影到投影屏幕上以便于觀看。傳統(tǒng)的白色光源一般體積龐大，發(fā)射一種或多種原色光效率低，難以集成，并且在采用它們的光學系統(tǒng)中往往會導致尺寸和能耗的增加。近來，發(fā)光二極管(LED)已被視為傳統(tǒng)的白色光源的替代光源。LED具有提供能夠與傳統(tǒng)光源競爭的亮度和可操作壽命的潛能。然而，現(xiàn)在的LED，特別是發(fā)射綠光的LED，是相對低效的。微投影是一種顯示技術，其包含具有非常小形狀因子的發(fā)光器件。微投影技術的代表性實例是3M公司近期發(fā)布的基于硅上液晶(LCoS)空間光調制器(SLM)、發(fā)光二極管 (LED)照明器和小型偏振分束器的微投影機器。便攜式和嵌入式的應用(例如，移動電話和數(shù)碼靜態(tài)相機)所需的是更小、更亮、 能源效率更高的全彩色微投影儀。優(yōu)選地，這類微投影儀能夠投影靜止圖像或運動圖像。投影儀的發(fā)展趨勢是使機器具有更高的像素數(shù)、更高的亮度、更小的體積和更低的能耗。

發(fā)明內容
在一個方面，本公開提供了一種發(fā)光二極管(LED)投影儀，其包括散熱基板、模制光學元件和LED。模制光學元件包括限定腔體的輸入孔、輸出孔和內表面。模制光學元件還包括至少部分環(huán)繞內表面的外表面，并且所述外表面的一部分與散熱基板形成熱接觸。模制光學元件還包括填充內表面和外表面之間的空間的成型材料。LED被設置用于光束注入模制光學元件的輸入孔，其中，注入的光束穿過腔體，并且作為被部分準直的光束射出輸出孔。在另一個方面，本公開提供了一種LED投影陣列，其包括散熱基板、第一模制光學元件、第二模制光學元件和第三模制光學元件。第一模制光學元件、第二模制光學元件和第三模制光學元件中的每個包括限定腔體的輸入孔、輸出孔和內表面。第一模制光學元件、第二模制光學元件和第三模制光學元件中的每個還包括外表面，其至少部分環(huán)繞所述內表面，所述外表面的第一部分與所述散熱基板形成熱接觸；和成型材料，其填充所述內表面和所述外表面之間的空間。LED投影陣列還包括第一 LED，其被設置用于第一光束注入所述第一模制光學元件的輸入孔；第二 LED，其被設置用于第二光束注入所述第二模制光學元件的輸入孔；第三LED，其被設置用于第三光束注入所述第三模制光學元件的輸入孔。注入的第一光束、第二光束和第三光束中的每個分別作為被部分準直的第一光束、第二光束和第三光束射出相應的所述輸出孔，并且所述成型材料的至少第二部分在所述第一模制光學元件、所述第二模制光學元件和所述第三模制光學元件中的至少兩個上是連續(xù)的。在又一個方面，本公開提供了一種LED投影陣列，其包括散熱基板、第一模制光學元件和第二模制光學元件。第一模制光學元件和第二模制光學元件中的每個包括限定腔體的輸入孔、輸出孔和內表面。第一模制光學元件和第二模制光學元件中的每個還包括外表面，其至少部分環(huán)繞所述內表面，所述外表面的第一部分與所述散熱基板形成熱接觸；和成型材料，其填充所述內表面和所述外表面之間的空間。LED投影陣列還包括第一 LED，其被設置用于第一光束注入所述第一模制光學元件的輸入孔；和第二 LED，其被設置用于第二光束注入所述第二模制光學元件的輸入孔。注入的第一光束和第二光束中的每個分別作為被部分準直的第一光束和第二光束射出相應的所述輸出孔，并且其中所述成型材料的至少第二部分在所述第一模制光學元件和所述第二模制光學元件上是連續(xù)的。在另一個方面，本公開提供了一種制造LED投影儀的方法，其包括用反射性材料涂覆模具的內表面，所述模具包括外表面，其環(huán)繞所述內表面；腔體，其由所述內表面、輸入孔和輸出孔限定；以及成型材料，其填充所述內表面和所述外表面之間的空間。所述制造 LED投影儀的方法還包括將所述模具的外表面的一部分設置成與散熱基板形成熱接觸； 以及設置LED以將光束注入輸入孔，其中，注入的所述光束穿過所述腔體，并且作為被部分準直的光束射出所述輸出孔。在另一個方面，本公開提供了一種制造LED投影儀的方法，其包括用反射性材料涂覆模具的內表面，所述模具包括外表面，其環(huán)繞所述內表面；腔體，其由所述內表面、輸入孔和輸出孔限定；以及成型材料，其填充所述內表面和所述外表面之間的空間。所述制造 LED投影儀的方法還包括將所述外表面的第一部分設置成與散熱基板形成熱接觸；以及設置LED以將光束注入輸入孔，其中，注入的所述光束穿過所述腔體，并且作為被部分準直的光束射出所述輸出孔。所述制造LED投影儀的方法還進一步包括用可固化樹脂填充所述腔體；固化所述可固化樹脂；以及從所固化的樹脂去除所述模具的第二部分。在另一個方面，本公開提供了一種制造LED投影儀的方法，其包括用反射性材料涂覆模具的內表面，所述模具包括外表面，其環(huán)繞所述內表面；腔體，其由所述內表面、輸入孔和輸出孔限定；以及成型材料，其填充所述內表面和所述外表面之間的空間，其中，所述成型材料的一部分包括彈性材料。所述制造LED投影儀的方法還包括將所述外表面的第一部分設置成與散熱基板形成熱接觸；以及設置LED以將光束注入輸入孔，其中，注入的所述光束穿過所述腔體，并且作為被部分準直的光束射出所述輸出孔。所述制造LED投影儀的方法還進一步包括用可固化樹脂填充所述腔體以及固化所述可固化樹脂。上述發(fā)明內容并非意圖描述本公開的每個公開實施例或每種實施方案。以下附圖和具體實施方式
更具體地說明示例性實施例。


整個說明書中都參考了附圖，其中類似的附圖標記表示類似的元件，并且其中圖1是LED投影儀的示意性剖視圖；圖2是LED投影儀的示意性剖視圖；圖3是LED投影儀的示意性剖視圖；圖4是LED投影儀陣列的示意性俯視圖；圖5是LED投影儀陣列的示意性俯視圖；以及圖6A至圖6C是LED投影儀陣列的方法的透視圖。
附圖未必按比例繪制。在附圖中使用的相同的標號表示相同的部件。然而，應當理解，在給定附圖中使用標號指示部件并非意圖限制另一個附圖中用相同標號標記的部件。
具體實施例方式本專利申請描述了照明裝置，例如LED投影儀，其中，模制光學元件至少部分準直 LED晶粒發(fā)射的光。一般，還可以將LED投影儀描述為投影照明器，S卩，投影裝置的“光引擎”。模制光學元件包括由內部表面限定的腔體，其中，由熱膨脹系數(shù)(CTE)比填充腔體的材料低的成型材料以機械方式限制內部表面的一部分。模制光學元件被允許其內部表面中不受成型材料限制的那部分伸展或收縮。在一個方面，模制光學元件包括用于準直光的復合拋物面聚光器(CPC)型腔體。 CPC對于準直發(fā)光器件(例如，LED)發(fā)射的光而言是非常有效的器件，其使集光率的增加非常小。一般存在兩種CPC，第一種是中空CPC，其由具有反射涂層的腔體形成，例如，該反射涂層是涂覆腔體內部的金屬或電介質。第二種是實心CPC，其中，光通過全內反射(TIR)由 CPC的表面反射。實心CPC具有優(yōu)于中空CPC的多個優(yōu)點，尤其是，為了增加光提取效率，用透明樹脂封裝了光源。在一個具體實施例中，實心CPC材料可以是光學穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的。光學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性會是所需的，尤其是當實心CPC用在光源可以產生高溫和大的熱梯度的小型系統(tǒng)中時。使用玻璃和澆注聚合物作為實心CPC的材料。然而，玻璃CPC的構造成本會很高， 并且用于澆注CPC的常規(guī)工程聚合物的熱和光穩(wěn)定性通常不足。相比于玻璃和澆注聚合物，硅樹脂具有非常好的熱和光穩(wěn)定性的組合，并且常常用作LED的密封劑?？上У氖?，硅樹脂和許多特性適于制成CPC的其它聚合物具有非常高的熱膨脹系數(shù)(CTE)并具有相對低的抗拉強度。降低硅樹脂的CTE的一些技術(例如，添加無機填充劑)對于CPC中的應用并非十分有效，這是因為這些填充劑增強了硅樹脂中的光散射，并且還增加了 CPC發(fā)射的光的集光率。高CTE限制了硅樹脂用于制成CPC的應用。小型LED投影儀會需要在LED晶粒和空間光調制器之間存在成本低且有效的主光學器件。這些主光學器件應該在機械上、光分解上和熱學上也是穩(wěn)固的。因為在CPC中，CPC 側面的至少一部分在機械上不受限制而CPC的至少另一部分在機械上受限制，所以可以允許使用更高CTE的材料形成CPC。模制的CPC可以用于投影照射器，其中，可以在各個模制CPC的輸入孔處設置發(fā)射相同或不同顏色的一個或多個LED。模制的CPC可以是兩個或更多個CPC的陣列，其中，用一個或多個LED照射每個CPC。CPC中的一些可能是中空的，而同一陣列中的其它CPC可能是實心的。中空且被填充的CPC可能具有不同的尺寸，以(例如)發(fā)射具有近似集光率的光。模制的CPC還可以連接到光伏器件，其中，光被導向CPC的大入口，并且光被有效耦合到光伏裝置。圖1是根據(jù)本公開的一個具體方面的LED投影儀100的示意性剖視圖。圖1所示的示意性剖視圖可以與圖6B的“y-z”平面中的切片相關。LED投影儀100包括位于散熱基板110上的模制光學元件120。模制光學元件120包括至少部分環(huán)繞腔體155的第一成型材料165和第二成型材料165'。腔體155由內表面150、150'、輸入孔130和輸出孔140限定。模制光學元件還包括外表面160，并且外表面160的至少一部分160'與散熱基板 110形成熱接觸。散熱基板110可以是任何已知的熱導率適當高的材料，例如，鋁或其它金屬，以為 LED投影儀100提供足夠的散熱和熱耗散。第一成型材料165可以由CET的范圍是從約5 至約100ppm/K(份每一百萬份/開氏度)的材料制成，并且包括(例如)金屬；聚合物例如聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)或液晶聚合物(LCP)；或陶瓷。在一些情況下，第一成型材料165可以由CTE高于100ppm/K的材料制成，例如，由CET在約300ppm/K的范圍內的硅樹脂材料制成。當?shù)谝怀尚筒牧?65的主要功能是為了防止LED晶粒上的應力集中(如別處描述的)時，可以使用CET更高的材料。第二成型材料165'可以與第一成型材料165相同或不同，如別處描述的。腔體155可以具有適于部分準直從輸入孔130經過輸出孔140的光束的任何形狀。在圖1所示的一個具體實施例中，腔體具有復合拋物面聚光器(CPC)型剖面。例如，CPC 型剖面可以是圓形CPCjgB CPC或方形CPC。在一些情況下，矩形CPC或方形CPC會是優(yōu)選的。在隨后的說明中，方形CPC會是特別優(yōu)選的。CPC設計是熟知的，并且說明(例如)可見于 Yu 等人的"LED-Based Projections Systems” (基于 LED 的投影系統(tǒng))(J. Display. Technol.，第3卷，第3期，295-303頁，2007年)并且還見于Kri jn等人的“LED-based mini-projectors”(基于 LED 的微型投影儀)，Proc. of SPIE (第 6196 卷，619602，1-12 頁， 2006)。CPC形狀的特征可以部分在于，限定與輸入表面130和輸出表面140的相對面積相關的夾角θ。夾角θ可以與輸出表面140的面積與輸入表面130的面積之比(或濃度)C 相關，滿足關系C= (l/sin(e/2))。一般，對于CPC腔體設計，所有進入輸入孔130的光在夾角θ內射出輸出孔140。以此方式，例如，LED 170注入輸入孔130的朗伯發(fā)射導致被部分準直的光(也就是說，夾角θ的光束)射出輸出孔140。在一個具體實施例中，夾角θ 的范圍可以從約5度至約50度，從約10度至約30度或從約10度至約20度。在一個具體實施例中，腔體155可以是中空CPC，并且第一成型材料165和第二成型材料165'可以保持就位，以限定模制光學元件120。在一個具體實施例中，可以通過本領域技術人員已知的技術使腔體155的內表面150、150'反射光。在一些情況下，可以在內表面150上設置諸如銀或銀合金的反射金屬、諸如氟化鎂的電介質或組合。在一些情況下，可以在內表面150、150'上設置多層電介質干涉反射器(例如，無機氧化物的交替層) 或聚合物多層干涉反射器。在另一個具體實施例中，腔體155可以包括實心CPC，并且可以從模制光學元件 120去除第二成型材料165'。實心CPC可以由任何光學透明的聚合物制成，包括(例如) 硅樹脂(如，聚甲基硅氧烷和聚苯基硅氧烷)、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、環(huán)烯烴共聚物和其它透明的聚合物。實心CPC的內表面150'可以是未涂覆的，或者它可以被柔性反射涂層(如， 聚合物干涉鏡、保護涂層、電介質反射鏡、金屬上的電介質涂層等)涂覆。在投影裝置中可以使用各種光源，如，激光器、激光二極管、LED、UV_LED、有機 LED(OLED)和具有合適集光器或反射器的非固態(tài)光源，如，超高壓(UHP)、鹵素或氙燈。LED 光源優(yōu)于其它光源之處在于運行經濟、長壽命、耐用性、產生發(fā)光效率高以及改善的光譜輸出。LED可以是發(fā)射可見光的LED，如，藍光LED、紅光LED或綠光LED。替代地，LED可以是藍光或UV LED，其能夠將光發(fā)射到下變頻器元件以產生不同顏色的光，如(例如)在
10公開的名稱為“ARRAY OF LUMINESCENT ELEMENTS”(發(fā)光元件的陣列)的PCT專利申請 No. W02008/109296 中描述的。在一個具體實施例中，LED投影儀100還包括LED 170，LED 170被設置用于光束注入輸入孔130。在一個具體實施例中，LED 170可以具有接觸輸入孔130的輸出表面，如圖1中所示，以將LED發(fā)射的光耦合到輸入孔130。LED 170可以安裝在帶電路基板175上， 該基板可以提供為LED 170供能的電觸點。帶電路基板175可以安裝于第二散熱基板180， 第二散熱基板180與散熱基板110形成熱接觸?？傮w上，LED 170包括光耦合到腔體155的輸入孔130的發(fā)光表面。模制光學元件120可以隨著溫度變化出現(xiàn)的伸展和收縮有可能會降低光耦合，并且還有可能會改變腔體155的光學性，如別處提及的。在圖1中用距離“d”指示的腔體155的至少一部分保持與LED 170對準。在一個具體實施例中，當腔體155是中空CPC時，通過沿著與散熱基板110熱接觸的外表面的一部分160'附著第一成型材料165來保持對準。在另一個具體實施例中，當腔體155是實心CPC時，通過沿著第一成型材料165的內表面150的至少一部分(沿著距離“d” )限制實心CPC腔體155來保持對準。從模制光學元件120去除第二成型材料165'，并且內表面的一部分150'是自由表面，其可以伸展或收縮，而不會劣化實心CPC與LED的光耦合。受限制的距離“d”可以從腔體155的總深度“D”的約5%變化至最高約100%。內表面150的至少第二部分是“自由”表面，并且不受限于因由溫度變化導致的伸展或收縮而產生的移動。受限制的實心CPC可以通過本領域技術人員已知的技術粘合到模具，并且還可以在裝置的制造或使用的某部分過程中被允許部分脫離與模具的粘合狀態(tài)。去除了第二成型材料165'的模制光學元件120允許腔體155中的材料(例如， CTE為大約300ppm/K的硅樹脂)伸展和收縮，而基本上不會影響被實心CPC準直的光?？梢酝ㄟ^在CPC的不止一個部分上設置自由表面來實現(xiàn)類似的效果。在一個具體實施例中， 第一成型材料165可以是支承CPC總表面面積的約5%的相對窄的條帶。通常，在LED附近，支承對于保持光學耦合和準直的光學性更為重要。如此，可以在超過CPC外表面面積的約5%至約80%上實現(xiàn)支承。在一個具體實施例中，LED投影儀100還包括可選合色器元件190，該合色器元件被設置用于從輸出孔140接收光?？蛇x合色器元件190可以包括(例如)玻璃棱鏡，該棱鏡可以具有熱接觸散熱基板110的可選支承件195，如別處所描述的?？蛇x支承件195可以由第一成型材料165構成，并且可以與光學元件120 —體地構成。可選支承件195可以提供對齊結構，用于輔助可選合色器元件190相對于輸出孔140的定位。圖2是根據(jù)本公開的一個具體方面的LED投影儀200的示意性剖視圖。圖2所示的示意性剖視圖可以與圖6B的“y-z”平面中的切片相關。LED投影儀200包括位于光提取基板210上的模制光學元件220。圖2所示的元件210495中的每個對應于之前已描述的圖1所示的帶近似標號的元件110-195。例如，對圖1中的散熱基板110的說明對應于對圖 2中的散熱基板210的說明，依此類推。在圖2中，腔體255的輸入孔230與LED 270分開第一間隙235，并且輸出孔240 與可選合色器290分開第二間隙M5。在一個具體實施例中，第一間隙235可能是由于在構造實心CPC腔體255之前置于模制光學元件220和LED 270之間的薄膜(未示出)造成的，如別處所描述的。第二間隙245可能是由于在構造實心CPC腔體255之前置于模制光學元件220和可選合色器290之間的薄膜(未示出)造成的，如別處所描述的。隨后可以去除薄膜(一個或多個)，由此分別在輸入孔230和輸出孔240上得到平滑表面。在一個具體實施例中，第一間隙235和第二間隙M5中的至少一個可以被空氣填充。在一個具體實施例中，第一間隙235和第二間隙M5中的至少一個可以被折射率低于腔體155中材料的折射率的材料填充。在一些情況下，所述材料的折射率可以是約1. 0(例如，空氣)至約1.6或更小(例如，硅樹脂)。在一個具體實施例中，第二間隙245可以被折射率低于可選合色器四0的材料的折射率的材料填充。圖3是根據(jù)本公開的一個具體方面的LED投影儀300的示意性剖視圖。圖3所示的示意性剖視圖可以與圖6B的“y-z”平面中的切片相關。LED投影儀300包括位于光提取基板310上的模制光學元件320。圖3所示的元件310-395中的每個對應于之前已描述的圖1所示的帶近似標號的元件110-195。例如，對圖1中的散熱基板110的說明對應于對圖 3中的散熱基板310的說明，依此類推。在圖3中，已從模制光學元件320去除了第二成型材料365'。替代地，可以沿著內表面350'設置具有外表面360的隔膜368。反射隔膜368可以是反射隔膜，或者可以用別處描述的任何技術使其具有反射性。優(yōu)選地，反射隔膜可以具有允許實心CPC腔體355 由于溫度變化而伸展和收縮的彈性模量。圖4是根據(jù)本公開的一個方面的LED投影儀陣列400的示意性俯視圖。圖4所示的示意性俯視圖可以與圖6B的“x-y”平面中的切片相關。LED投影儀陣列400包括第一模制光學元件420a、第二模制光學元件420b和第三模制光學元件420c。第一模制光學元件420a、第二模制光學元件420b和第三模制光學元件420c中的每個可以被集成為單個模制光學元件420，并且與熱交換表面410形成熱接觸。單個模制光學元件420可以包括伸展狹縫462，該伸展狹縫具有長度“ I ”，位于第一模制光學元件420a和第二模制光學元件420b 之間的第一線463上。單個模制光學元件420還可以包括伸展狹縫462，該伸展狹縫具有長度“I”，位于第二模制光學元件420b和第三模制光學元件420c之間的第二線464上。在圖4中，圖4所示的元件410-495中的每個對應于之前已描述的圖1所示的帶近似標號的元件110-195。例如，對圖1中的散熱基板110的說明對應于對圖4中的散熱基板410的說明，依此類推。為簡便起見，下面對圖4所示元件的說明假設第一、第二和第三腔體G55a、455b、455c)是實心CPC ；然而，替代地，第一、第二和第三腔體055a、455b、455c) 中的一個或多個可以是中空腔體，如別處所描述的。在圖4中，第一、第二和第三LED(470a、470b、470c)被設置用于光分別注入第一、第二和第三模制光學元件G20a、420b、420c)的第一、第二和第三輸入孔(430a、430b、 430c)。在一個具體實施例中，第一、第二和第三LED(470a、470b、470c)中的每個能夠注入不同波長的光，例如，紅色光、綠色光和藍色光。在另一個實施例中，第一、第二和第三 LED(470a、470b、470c)中的至少兩個能夠注入相同波長的光。第一、第二和第三LED(470a、470b、470c)中的每個可以分別安裝在第一、第二和第三帶電路基板G75a、47^、475C)上，這些基板可以提供為各個LED供能的電觸點。各個帶電路基板G75a、47^、475C)可以安裝到與散熱基板410熱接觸的第二散熱基板480。在圖4所示的一個具體實施例中，第一、第二和第三LED (470a.470b.470c)中的每個可以被設置用于接觸第一、第二和第三輸入孔G30a、430b、430c)。在另一個實施例中，可以在第一、 第二和第三LED(470a、470b、470c)中的至少一個與各個輸入孔G30a、430b、430c)之間設置與圖2所示間隙類似的間隙(未示出)。通過(如別處所描述的)沿著第一成型材料465的內表面450的至少一部分(例如，沿著距離“d”)限制相應的各實心CPC腔體G55a、45^、455C)來保持第一、第二和第三 LED (470a,470b,470c)中的每個與各個輸入孔030a、430b、430c)之間的對準。內表面450 的至少第二部分是“自由”表面，并且不受限于因由溫度變化導致的伸展或收縮而產生的移動。在圖4中，可選合色器元件490被設置用于從第一、第二和第三輸出孔G40a、 440b,440c)接受光，并且從投影儀孔499輸出合成光。如圖4中所示，投影儀孔499的剖面面積小于第一、第二和第三輸出孔G40a、440b、440c)之和?？蛇x合色器元件490可以包括如圖4所示的多個棱鏡，這些棱鏡具有第一對角元件492、第二對角元件494和第三對角元件496，這些對角元件可以是(例如)二向色濾光器，其適于反射一種或多種波長的光并且透射其它波長的光；偏振器，如，反射型偏振器；延遲片，如，四分之一波片等。如圖4中所示，在棱鏡之間可以設置其它光學膜，如，第一光學膜493、第二光學膜 495和第三光學膜497，這些光學膜還可以是(例如)二向色濾光器、諸如反射型偏振器的偏振器、諸如四分之一波片的延遲片等。合色器中的各種光學元件和膜的布置可見于(例如)PCT 專利公開 No. W02008/144207 (Magarill 等人)、No. W02009/085856 (English 等人) 和 No. W02009/086310 (Magarill 等人)；PCT 專利申請 No. US2008/087369 (Bruzzone 等人) 和 No. US2008/088020 (Magarill 等人)以及美國專利申請No. 61/116072 (Ouderkirk等人) 和 No. 61/116061 (Ouderkirk 等人)。圖5是根據(jù)本公開的一個方面的LED投影儀陣列500的示意性俯視圖。圖5所示的示意性俯視圖可以與圖6B的“x-y”平面中的切片相關。LED投影儀陣列500包括第一模制光學元件520a和第二模制光學元件520b。第一模制光學元件520a和第二模制光學元件520b中的每個可以被集成為單個模制光學元件520，并且與熱交換表面510形成熱接觸。單個模制光學元件520可以包括伸展狹縫562，該伸展狹縫具有長度“I”，位于第一模制光學元件520a和第二模制光學元件520b之間的線563上。在圖5中，圖5所示的元件510-595中的每個對應于之前已描述的圖1所示的帶近似標號的元件110-195。例如，對圖1中的散熱基板110的說明對應于對圖5中的散熱基板510的說明，依此類推。為簡便起見，下面對圖5所示元件的說明假設第一和第二腔體 (555a、555b)是實心CPC ；然而，替代地，第一和第二腔體(55fe、555b)中的一個或多個可以是中空腔體，如別處所描述的。在圖5所示的一個具體實施例中，第一 LED 570a被設置用于光注入第一模制光學元件520a的第一輸入孔530a。第二和第三LED (570b、570c)被設置用于光注入第二模制光學元件520b的第二輸入孔530b。在一個具體實施例中，第一、第二和第三LED(570a、570b、 570c)中的每個能夠注入不同波長的光，例如，紅色光、綠色光和藍色光。在另一個實施例中，第一、第二和第三LED(570a、570b、570c)中的至少兩個能夠注入相同波長的光。第一、第二和第三LED(570a、570b、570c)中的每個可以分別安裝在第一和第二帶電路基板(57fe、575b)上，這些基板可以提供為各個LED供能的電觸點。各個帶電路基板 (575a,575b)可以安裝到與散熱基板510熱接觸的第二散熱基板580。在圖5所示的一個具體實施例中，第一、第二和第三LED(570a、570b、570c)中的每個可以被設置用于接觸第一和第二輸入孔(530a、530b)。在另一個實施例中，在第一、第二和第三LED(570a、570b、 570c)中的至少一個與各個輸入孔(530a、530b)之間設置與圖2所示間隙類似的間隙(未示出)。通過(如別處所描述的)沿著第一成型材料565的內表面550的至少一部分 (例如，沿著距離“d”)限制相應的各實心CPC腔體(55fe、555b)來保持第一、第二和第三 LED(570a,570b,570c)中的每個與各個輸入孔(530a、530b)之間的對準。內表面550的至少第二部分是“自由”表面，并且不受限于因由溫度變化導致的伸展或收縮而產生的移動。在圖5中，可選合色器元件590被設置用于從第一和第二輸出孔(M0a、540b)接受光，并且從投影儀孔599輸出合成光。如圖5中所示，投影儀孔599的剖面面積小于第一和第二輸出孔(M0a、540b)之和。可選合色器元件590可以包括如圖5所示的多個棱鏡， 這些棱鏡具有第一對角元件592和第二對角元件594，這些對角元件可以是(例如)二向色濾光器，其適于反射一種或多種波長的光并且透射其它波長的光；偏振器，如，反射型偏振器；延遲片，如，四分之一波片等。如圖5中所示，在棱鏡之間可以設置其它光學膜，如，第一光學膜593和第二光學膜595，這些光學膜還可以是(例如)二向色濾光器、諸如反射型偏振器的偏振器、諸如四分之一波片的延遲片等。合色器中的各種光學元件和膜的布置可見于(例如)PCT 專利公開 No. W02008/144207 (Magarill 等人)、No. W02009/085856 (English 等人)和 No. W02009/086310 (Magarill 等人)；PCT 專利申請 No. US2008/087369 (Bruzzone 等人)和 No. US2008/088020 (Magarill 等人)以及美國專利申請No. 61/116072 (Ouderkirk等人)和 No. 61/116061 (Ouderkirk 等人)。圖6A至圖6C是根據(jù)本公開的一個方面的LED投影儀陣列600的制造過程的透視圖。圖6A至圖6C中的透視圖也會有助于觀察之前圖1至圖5所示的剖視圖和俯視圖。例如，圖1至圖3示出“y-z”平面內的剖視圖并且圖4至圖5示出“x-y”平面內的俯視圖。在圖6A至圖6C中，圖6所示的元件610-699中的每個對應于之前已描述的圖4所示的帶近似標號的元件410-499。例如，對圖4中的散熱基板410的說明對應于對圖6中的散熱基板 610的說明，依此類推。LED投影儀陣列600包括第一模制光學元件620a、第二模制光學元件620b和第三模制光學元件620c。如圖6A至圖6C中所示，第一模制光學元件620a、第二模制光學元件 620b和第三模制光學元件620c中的每個可以被集成為單個模制光學元件，并且與熱交換表面610形成熱接觸。單個模制光學元件可以包括至少一個伸展狹縫(未示出)，如別處所描述的。模制光學元件(620a、620b、620c)可以包括成型材料665，成型材料665可以通過多種傳統(tǒng)方法中的一種來形成，這些方法包括注模聚合物、澆注和固化模具中的聚合物、金屬注模、直接機械加工和壓印。在圖6A中，已將反射材料涂覆在成型材料665的內表面上，這些內表面分別形成第一、第二和第三模制光學元件(620a、620b、620c)的第一、第二和第三腔體(65fe、655b、 655c)的邊界。合適的涂層包括物理氣相涂層，如，氟化鎂、碳氟化合物、諸如鋁或銀的金屬、聚合物多層光學膜、諸如基于一層或多層氧化硅和二氧化鈦的電介質涂層及其組合。在制造了反射表面之后，如圖6A中所示，設置LED 670、帶電路基板675、第二散熱基板680和可選變色器元件690。隨后，用合適的可固化樹脂如(例如)環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、熱固化硅樹脂或可光致固化硅樹脂填充第一、第二和第三腔體(655a、65^、655C)中的至少一個。在圖6A所示的一個具體實施例中，可以使用針615填充第三腔體655c。還可以用可固化樹脂填充剩余的第一和第二腔體(655a、65^)，或者這些腔體可以保持中空，如圖6A至圖6C中所示。在圖6B中，隨后可以將第二成型材料665'放在第一成型材料660上方，并且可以將可固化樹脂固化。第二成型表面可以是平坦的，或者被成形用于產生腔體所需的表面形狀。如果將可固化樹脂光固化，則對于固化照射，第一成型材料665、第二成型材料665 ‘ 或腔體的端部之一(例如，投影孔699)必須是透明的。如果將可固化樹脂熱固化，則在固化溫度下，成型材料應該是穩(wěn)定的?？梢栽谘b置的預期工作溫度下固化樹脂，使得腔體的自由表面將具有所需的光學形態(tài)?？赡軆?yōu)選的是，在CPC的窄端開始固化，以確保CPC形狀在 LED的耦接頭附近的完整性。在圖6C所示的一個具體實施例中，已從LED投影儀陣列600去除了第二成型材料 665'，從而暴露中空的第一腔體65 、中空的第二腔體65 和填充的第三腔體655c。在另一個實施例中，第一和第二腔體(65fe、655b)還可以是填充的腔體。在一個具體實施例中，可以用物理方式從LED投影儀陣列600去除第二成型材料 665'。在另一個實施例中，可以在超過正常工作溫度的溫度下固化樹脂，使得樹脂在被冷卻時收縮。通過將合適脫模涂層施用于第二成型材料，使得樹脂能夠與第二成型材料分開并且留下被暴露表面，從而能夠進行TIR?；蛘撸梢允褂玫诙尚筒牧?65'，第二成型材料665'是彈性的，例如由硅樹脂、橡膠或聚氨酯制成。在這種情況下，應該用可以在應用過程中經受重復伸展和收縮而不會有效損失反射性的材料來涂覆第二成型材料。CPC的開放頂面允許具有高CTE的腔體材料伸展和收縮，而不會使CPC明顯變形。 在LED 670附近，低度變形尤為重要，其中，表面外形的小變化會導致CPC輸出孔處光的分布發(fā)生顯著變化。附著于LED的自由懸起的CPC和CPC輸出孔處的可選合色器元件690會在CPC中形成不期望的光學應變。例如，CPC相對于保持硅樹脂CPC的第一成型材料665的伸展將造成CPC的窄部由于LED 670附近相對小的剖面而變形。由于從CPC發(fā)射的大量光的方向受到這種變形的影響，因此控制部件是必須的。除非另外指明，否則在說明書和權利要求中使用的表示部件的尺寸、數(shù)量和物理特性的所有數(shù)字應當被理解為由術語“約”來修飾。因此，除非有相反的指示，否則在上述說明書和所附權利要求中所提出的數(shù)值參數(shù)為近似值，可根據(jù)本領域內的技術人員利用本文所公開的教導內容尋求獲得的所需特性而變化。除了與本公開可能直接抵觸的程度，本文引用的所有參考文獻及出版物都明確地以引用方式全文并入本文中。雖然本文已經示出和描述了一些具體實施例，但本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以用多種替代和/或等同實現(xiàn)方式來代替所示出和描述的具體實施例。本專利申請旨在涵蓋本文所討論的具體實施例的任何修改或變型。因此，本發(fā)明僅受權利要求書及其等同內容的限制。
權利要求
1.一種發(fā)光二極管(LED)投影儀，包括 散熱基板；模制光學元件，所述模制光學元件包括 輸入孔、輸出孔和內表面，其限定腔體；外表面，至少部分環(huán)繞所述內表面，所述外表面的一部分與所述散熱基板形成熱接觸；成型材料，填充所述內表面和所述外表面之間的空間；以及，LED，被設置用于將光束注入輸入孔，其中，注入的所述光束穿過所述腔體，并且作為被部分準直的光束射出所述輸出孔。
2.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述LED與所述散熱基板形成熱接觸。
3.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中輸入孔的輸入面積小于所述輸出孔的輸出面積。
4.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述被部分準直的光束的發(fā)散角小于30度。
5.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述腔體包括對于所述光束而言透明的第一聚合物材料。
6.根據(jù)權利要求5所述的LED投影儀，其中所述成型材料的第一熱膨脹系數(shù)CTE小于所述第一聚合物材料的第二 CTE。
7.根據(jù)權利要求5所述的LED投影儀，其中所述第一聚合物材料包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯或環(huán)烯烴共聚物。
8.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述成型材料包括第二聚合物、金屬或陶ο
9.根據(jù)權利要求8所述的LED投影儀，其中所述第二聚合物包括聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEE)或液晶聚合物(LCP)。
10.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述腔體是中空的。
11.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述內表面對于所述光束而言是反射性的。
12.根據(jù)權利要求11所述的LED投影儀，其中所述內表面包括金屬、第三聚合物涂層、 電介質反射鏡或其組合。
13.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述LED包括接觸輸入孔的光輸出表面。
14.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述LED包括與輸入孔分開一間隙的光輸出表面，所述間隙包含折射率為約1. 0至約1. 6的材料。
15.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述外表面完全環(huán)繞所述內表面。
16.根據(jù)權利要求1所述的LED投影儀，其中所述腔體具有方形的復合拋物面聚光器 (CPC)形狀。
17.一種LED投影陣列，包括 散熱基板；第一模制光學元件、第二模制光學元件和第三模制光學元件，每個光學元件包括 輸入孔、輸出孔和內表面，其限定腔體；外表面，至少部分環(huán)繞所述內表面，所述外表面的一部分與所述散熱基板形成熱接觸；成型材料，填充所述內表面和所述外表面之間的空間；第一 LED，被設置用于將第一光束注入所述第一模制光學元件的輸入孔；第二 LED，被設置用于將第二光束注入所述第二模制光學元件的輸入孔；第三LED，被設置用于將第三光束注入所述第三模制光學元件的輸入孔；其中，注入的第一光束、第二光束和第三光束中的每個分別作為被部分準直的第一光束、第二光束和第三光束射出相應的輸出孔，并且其中所述成型材料的至少第二部分在所述第一模制光學元件、所述第二模制光學元件和所述第三模制光學元件中的至少兩個上是連續(xù)的。
18.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述第一LED、所述第二 LED或所述第三LED中的至少一個與所述散熱基板形成熱接觸。
19.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中輸入孔的輸入面積小于所述輸出孔的輸出面積。
20.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述被部分準直的第一光束、第二光束和第三光束中的每個的發(fā)散角小于30度。
21.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述腔體包括對于所述光束而言透明的第一聚合物材料。
22.根據(jù)權利要求21所述的LED投影陣列，其中所述成型材料的第一熱膨脹系數(shù)CTE 小于所述第一聚合物材料的第二 CTE。
23.根據(jù)權利要求21所述的LED投影陣列，其中所述第一聚合物材料包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯或環(huán)烯烴共聚物。
24.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述成型材料包括第二聚合物、金屬或陶瓷。
25.根據(jù)權利要求M所述的LED投影陣列，其中所述第二聚合物包括聚苯硫醚(PPS)、 聚醚醚酮(PEE)或液晶聚合物(LCP)。
26.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述腔體是中空的。
27.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述內表面對于所述光束而言是反射性的。
28.根據(jù)權利要求27所述的LED投影陣列，其中所述內表面包括金屬、第三聚合物涂層、電介質反射鏡或其組合。
29.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述第一LED、所述第二 LED和所述第三LED中的至少一個包括接觸輸入孔的光輸出表面。
30.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述第一LED、所述第二 LED和所述第三LED中的至少一個包括與輸入孔分開一間隙的光輸出表面，所述間隙包含折射率為約 1. 0至約1. 6的材料。
31.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述外表面完全環(huán)繞所述內表面。
32.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述腔體具有方形的復合拋物面聚光器(CPC)形狀。
33.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述第一LED、所述第二 LED和所述第三LED包括藍光LED、紅光LED和綠光LED。
34.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，其中所述第一LED、所述第二 LED和所述第三LED中的至少一個包括紫外(UV)LED和波長下轉換元件。
35.根據(jù)權利要求17所述的LED投影陣列，還包括合色器，所述合色器被設置用于從相應的所述輸出孔接受所述被部分準直的第一、第二和第三光束，并且輸出經組合的被部分準直的光束。
36.一種LED投影陣列，包括散熱基板；第一模制光學元件和第二模制光學元件，每個光學元件包括輸入孔、輸出孔和內表面，其限定腔體；外表面，至少部分環(huán)繞所述內表面，所述外表面的第一部分與所述散熱基板形成熱接觸；成型材料，填充所述內表面和所述外表面之間的空間；第一 LED，被設置用于將第一光束注入所述第一模制光學元件的輸入孔；以及第二 LED，被設置用于將第二光束注入所述第二模制光學元件的輸入孔；其中，注入的第一光束和第二光束中的每個分別作為被部分準直的第一光束和第二光束射出相應的輸出孔，并且其中所述成型材料的至少第二部分在所述第一模制光學元件和所述第二模制光學元件上是連續(xù)的。
37.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，還包括第三LED，所述第三LED被設置用于將第三光束注入所述第二模制光學元件的輸入孔，其中注入的第三光束作為被部分準直的第三光束射出所述第二輸出孔。
38.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述第一LED和所述第二 LED中的至少一個與所述散熱基板形成熱接觸。
39.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中輸入孔的輸入面積小于所述輸出孔的輸出面積。
40.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述被部分準直的第一光束和第二光束中的每個的發(fā)散角小于30度。
41.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述腔體包括對于所述光束而言透明的第一聚合物材料。
42.根據(jù)權利要求41所述的LED投影陣列，其中所述成型材料的第一熱膨脹系數(shù)CTE 小于所述第一聚合物材料的第二 CTE。
43.根據(jù)權利要求41所述的LED投影陣列，其中所述第一聚合物材料包括硅樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯或環(huán)烯烴共聚物。
44.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述成型材料包括第二聚合物、金屬或陶瓷。
45.根據(jù)權利要求44所述的LED投影陣列，其中所述第二聚合物包括聚苯硫醚(PPS)、 聚醚醚酮(PEE)或液晶聚合物(LCP)。
46.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述腔體是中空的。
47.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述內表面對于所述光束而言是反射性的。
48.根據(jù)權利要求47所述的LED投影陣列，其中所述內表面包括金屬、第三聚合物涂層、電介質反射鏡或其組合。
49.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述第一LED和所述第二 LED中的至少一個包括接觸輸入孔的光輸出表面。
50.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述第一LED和所述第二 LED中的至少一個包括與輸入孔分開一間隙的光輸出表面，所述間隙包含折射率為約1. 0至約1. 6的材料。
51.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述外表面完全環(huán)繞所述內表面。
52.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，其中所述腔體具有方形的復合拋物面聚光器(CPC)形狀。
53.根據(jù)權利要求37所述的LED投影陣列，其中所述第一LED、所述第二 LED和所述第三LED包括藍光LED、紅光LED和綠光LED。
54.根據(jù)權利要求37所述的LED投影陣列，其中所述第一LED、所述第二 LED和所述第三LED中的至少一個包括紫外(UV) LED和波長下轉換元件。
55.根據(jù)權利要求36所述的LED投影陣列，還包括合色器，所述合色器被設置用于從相應的所述輸出孔接受所述被部分準直的第一、第二和第三光束，并且輸出經組合的被部分準直的光束。
56.一種制造LED投影儀的方法，包括 用反射性材料涂覆模具的內表面，所述模具包括 外表面，環(huán)繞所述內表面；腔體，由所述內表面、輸入孔和輸出孔限定； 成型材料，填充所述內表面和所述外表面之間的空間； 將所述外表面的一部分設置成與散熱基板形成熱接觸；以及設置LED以將光束注入輸入孔，其中，注入的所述光束穿過所述腔體，并且作為被部分準直的光束射出所述輸出孔。
57.一種制造LED投影儀的方法，包括 用反射性材料涂覆模具的內表面，所述模具包括 外表面，環(huán)繞所述內表面；腔體，由所述內表面、輸入孔和輸出孔限定； 成型材料，填充所述內表面和所述外表面之間的空間； 將所述外表面的第一部分設置成與散熱基板形成熱接觸；設置LED以將光束注入輸入孔，其中，注入的所述光束穿過所述腔體，并且作為被部分準直的光束射出所述輸出孔； 用可固化樹脂填充所述腔體； 固化所述可固化樹脂；以及從所固化的樹脂去除所述模具的第二部分。
58.一種制造LED投影儀的方法，包括用反射性材料涂覆模具的內表面，所述模具包括外表面，環(huán)繞所述內表面；腔體，由所述內表面、輸入孔和輸出孔限定；成型材料，填充所述內表面和所述外表面之間的空間，其中，所述成型材料的一部分包括彈性材料；將所述外表面的第一部分設置成與散熱基板形成熱接觸；設置LED以將光束注入輸入孔，其中，注入的所述光束穿過所述腔體，并且作為被部分準直的光束射出所述輸出孔；用可固化樹脂填充所述腔體；以及固化所述可固化樹脂。
全文摘要
本發(fā)明提供了發(fā)光二極管(LED)投影儀、LED投影儀陣列和制造LED投影儀和LED投影儀陣列的方法?？傮w上，LED被設置用于光注入位于模制光學元件中的復合拋物面聚光器(CPC)的輸入孔。至少部分準直的光射出CPC的輸出孔。CPC的一部分表面自由地伸展和收縮，而不會劣化LED投影儀的性能。
文檔編號G03B21/20GK102549493SQ201080041183
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權日2009年9月15日
發(fā)明者D·斯克特·湯普森, 埃米·S·巴爾內斯, 安德魯·J·烏德科克, 安德魯·T·蒂奧, 宋逸飛, 王圣勤, 羅伯特·S·戴維森 申請人:3M創(chuàng)新有限公司