專利名稱：具有中空集合透鏡的led光源的制作方法
具有中空集合透鏡的LED光源
相關專利申請的交叉引用
本專利申請基于并要求2006年7月31提交的美國臨時專利申請 序號60/820887的優先權，其內容據此全文引入以供參考。
參考內容有同此提交于同一天的名稱為"LED Mosaic"(代理 人案巻號62370US006)的共同轉讓的美國專利申請；2005年12月30 日提交的并且作為美國專利申請公開US2007/0152231公開的名稱為
"LED Wkh Compound Encapsulant Lens"(具有化合物封殼透鏡的 LED)的美國專利申請序號11/322,801;于此提交于同一天的名稱為
"Optical Projection Subsystem"(光學投影子系統)(代理人案巻號 63281US002)的美國專利申請；提交于2007年7月2日的名稱為"LED Illumination System With Polarization Recycling"(具有偏振回收利用的 LED照明系統)的美國專利申請序號11/772,609;同此提交于同一天 的名稱為 "Combination Camera/Projector System"(結合相機/投影系 統)(代理人案巻號62369US006)的美國專利申請；同此提交于同一天 的名稱為"Integrating Light Source Module"(集成光源模塊)(代理 人案巻號62382US008)的美國專利申請；以及美國專利申請公開 US2006/0091411(Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package"(高 亮度LED包)、US2006/0091798(Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package With Compound Optical Element (s)"(具有化合物光學元件 的高亮度LED包)和US2006/0092532 (Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package With Multiple Optical Elements"(具有多個光 學元件的高亮度LED包)。
背景技術：
發光二極管(LED)是光源的理想選擇，部分是因為其尺寸相對小、
5電源Z電流要求低、響應時間短、壽命長、穩固的包裝、各種可用輸出 波長以及與現代電路構造的相容性。這些特性有助于解釋過去數十年
中，它們得以廣泛應用于大量不同的最終應用場合的原因。對LED的
功效、亮度以及輸出波長方面的改進一直在持續進行，這進一步擴大 了潛在的最終應用范圍。
LED通常打包銷售，包裝中包括安裝在金屬接頭上的LED晶粒或 薄片。所述接頭可配有反射杯，杯中裝配LED晶粒，電引線連接到LED 晶粒。某些封裝也包括模制的透明樹脂，形成膠囊包封LED晶粒。膠 囊包封樹脂可以具有在局部使晶粒射出的光保持平行的標稱的半球形 前表面，或者具有標稱的平坦表面。
名稱為"LED With Compound Encapsulant Lens"(具有化合物封 殼透鏡的LED)的上述美國專利申請序號11/322,801公開LED光源， 所述LED光源包括LED發光體和至少部分地圍繞發光體的封殼。所述 封殼具有內透鏡以及外透鏡，所述內透鏡的折射率小于所述外透鏡的
折射率，并且在某些情況下為所述外透鏡折射率的約70%到80%。所 述內透鏡及外透鏡可沿著曲面彼此接觸，并且在某些情況下所述內透 鏡基本上是平凸的，并且所述外透鏡為凹凸的。內透鏡生成發光體的 第一虛像，而外透鏡生成第二虛像，并且第一虛像位于發光體和第二 虛像之間。LED光源能夠在緊空間中提供均勻的照明。使用相對的高 折射率內側透鏡符合當代教導內容，即通過將其包封在折射率與LED 晶粒折射率盡可能接近的介質中提高高折射率LED晶粒或薄片的提取效率。
上述本發明僅提供一般背景技術信息，并非意圖用于輔助確定受 權利要求書保護的主題范圍。
發明內容
一種光源，包括LED發光體和具有中空腔體的凹凸透鏡，在中空
6腔體中設置LED發光體。凹凸透鏡在示例性實施例超半球中，并且它
可以生成LED發光體的優質光學圖像。透鏡的腔體填充有空氣，諸如 地球大氣、惰性氣體或真空。
提供本發明內容從而以簡化的形式介紹概念選擇，還在以下具體 實施方式中進一步描述該概念選擇。本發明內容并非意圖辨識受權利 要求書保護的主題的主要特征或基本特征，也非旨在用于輔助確定受 權利要求書保護的主題范圍。
圖1A是封裝的LED光源的圖解舉例說明。
圖1B是具有光提取結構的未封裝的LED光源的圖解舉例說明。
圖2是具有中空凹凸集合透鏡的LED光源的示意性截面圖。
圖3是圖3中的LED光源的另一個示意性截面圖。
圖4示出具有另外光學元件的圖2和圖3中的光源。
圖5示出具有另外光學元件圖2、圖3和圖4中的光源。
圖6為分別具有中空凹凸集合透鏡和化合物膠囊包封透鏡的LED
光源之間的焦距比較表。
圖7A和7B是分別具有化合物膠囊包封透鏡和中空凹凸集合透鏡
的LED光源光學布局的示意圖。
圖8是使用本發明所公開的LED光源的投影系統的圖解視圖。
具體實施例方式
本專利申請公開包含在其他內容中的類似于上述引用的'801專利 申請的基于LED的光源，但此處內部透鏡被折射率大約為1的空氣所 取代。就這一點而言，"空氣"可以是指地球大氣，或任何惰性氣體， 或甚至真空。通過移除內側透鏡，可將LED發光體設置在透鏡(在'801 專利申請中被稱為外側透鏡)的中空腔體中，該透鏡優選的是超半球 型和正凹凸型。該透鏡(本文稱之為凹凸透鏡)捕集幾乎完全由LED 發光體發射的光的完全半球(2:r球面度)，并利用基本上為球形的折射表面生成品質相當高的(虛擬)幾乎沒有失真的發光體圖像。
本發明所公開的設計在某些方面與當今教導內容相對立，當今教 導內容認為，提高高折射率LED晶粒或薄片提取效率的唯一方式是將
其封裝在具有最高可用折射率的介質中，即盡可能靠近LED晶粒的折 射率。圖1A現有技術中示出采用此當今教導內容的LED光源10的基 本的例子。LED光源10包括以芯片或薄片的形式設置在金屬接頭14 上的LED發光體12。引線鍵合16(為簡化，只示出一個引線鍵合)提 供至LED發光體12的電氣連接。膠囊包封材料18 (通常為基于硅樹 脂的凝膠)包封LED發光體。可用的基于硅樹脂的凝膠具有約1.5的 折光指數，將提取效率限制到小的百分比。
如上所述，本發明所公開的實施例脫離了常規的膠囊包封技術， 并且反而利用LED發光體和凹凸透鏡之間的空氣界面。圖IB示出在 LED發光體12和光源的凹凸透鏡之間具有這樣的空氣界面22的LED 光源20的部分。圖IB中未示出凹凸透鏡，以使得其他可選部件可以 更好的示出，但是在本文包含的其他圖中示出。在一些實施例中，一 個或多個提取結構24連同凹凸透鏡一起被形成或布置在LED發光體 12上，以幫助耦合從LED晶粒發出的光，因此抑制光在其中的捕集浪 費。例如，可通過粗化LED晶粒發射表面或在這樣的表面上提供大量 晶面或其他結構，諸如次波長結構，來增加從LED晶粒的光提取，即 使在沒有封殼將其暴露到空氣中的情況下也可以這樣做。如果封殼的 折射率小于具有微結構的LED晶粒的折射率，使用具有光提取微結構 的封殼對性能可能是有害的。其他適用提取結構24包括高提取光子晶 體結構和線柵提取元件。其他適用提取結構還包括如在美國專利申請 出版物US2006/0091411 (Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package"(高亮度LED包裝)、US2006/0091798 (Ouderkirk等人) "High Brightness LED Package With Compound Optical Element (s)" (具有化合物光學元件的高亮度LED包裝)，以及US2006/0092532 (Ouderkirk等人)"High Brightness LED Package With Multiple Optical
8Elements"(具有多光學元件的高亮度LED包裝)中所公開的玻璃或 陶瓷提取器或提取器陣列。利用本文所公開的中空集合(凹凸)透鏡 技術，提取結構24的用途可以是不干涉這些結構的預期光提取部件。 盡管本公開的其他圖中未示出提取部件，本文所公開的每個實施例均
應理解為可選地涵蓋這些部件，雖然該部件并非必須。
如本文所用，"發光二極管"或"LED"是指發射光的二極管，不 管是可見光、紫外光或紅外光。它包括作為"LED"(不論是常規型還 是超亮型)銷售的各種不同的盒裝或封裝半導體器件。如果LED發出 不可見光(如紫外光)，以及在一些發出可見光的情況中，可以將它 封裝成包括熒光粉(或者它可以照亮設置在遠處的熒光粉)，以使短 波長的光轉換為較長波長的光，在某些情況下，還可以得到發射白光 的器件。"LED晶粒"是LED最基本的形態，即經半導體加工方法制 成的單個元件或芯片。例如，LED晶粒通常是由一種或多種III族元素 的組合和一種或多種V族元素組合形成的(III-V半導體)。合適的III-V 半導體材料的實例包括氮化物(如氮化鎵)和磷化物(如磷化銦鎵)。 還可以使用其它類型的III-V材料，同樣可以使用元素周期表中其它族 的無機材料。元件或薄片可以包括適用于應用能量的電觸點以給裝置 提供能量。實例包括引線接合、巻帶自動結合(TAB)或芯片倒裝焊接。 該元件或芯片的各獨立層和其它功能元件通常以晶片級形成，并且可 將加工好的晶片切成單個元件，以生成多個LED晶粒。可以用表面貼 裝、薄芯片直接貼裝或其它已知的貼裝構型來構造LED晶粒。 一些封 裝的LED通過在LED晶粒和相關反射杯之上形成聚合物封殼而制成。 該LED晶粒具有準朗伯曲線發射圖形，而且LED晶粒內產生的大部分 光由于晶粒表面處的全內反射而被截留，或者從LED晶粒正上方的聚 合物封殼發出。
注意LED發光體可以只具有一個LED晶粒，或其可以具有多個 芯片，芯片可以發射相同或不同顏色的光。參見例如同此提交于同一 天的共同轉讓的名稱為"LED Mosaic"的美國專利申請(代理人案巻號62370US006)中描述的LED晶粒構型。如果利用多個LED晶粒，則
通常將其安裝在相互接近的通用基板上，以限定單(但成片段或不連 統的、兮射RT
現在轉向圖2，示出的是包括LED發光體42和至少部分地圍繞發 光體的封殼43的光源40。圖3描述了完全相同的光源40，但標識出 了未在圖2中顯示的附加參數，以便于參閱。LED發光體42可以是 LED晶粒或LED晶粒陣列的發光表面，或者是(例如)涂覆于表面的 較薄磷光粉層，或換句話講，是由這種LED晶粒激發的磷光粉層。在 示例性實施例中，發光體42基本上放在對應于圖2-3中的笛卡爾xyz 坐標系的X-Y平面的一個平面，但其他布置方式也是可以的。發光體 42為寬角度光源，并且盡管通過全內反射可以將一些光捕集在發光體 42內，但出現在空氣間隙44中的光通常在立體角度的整個半個半球上 散布，與從0至大體上卯度的范圍內光源角度e s (相對于垂直于發光 體局部表面測量，與圖2皿3中的z軸相對應)保持一致。
與'801專利申請中的情況相反，其中封殼43由至少兩個截然不 同的元件形成，在本發明所公開的實施例中，封殼由形成圍繞發光體 42的空氣間隙44的凹凸透鏡46形成。外側透鏡46具有暴露到折射率 為n。的介質的彎曲外表面46b，該介質通常但不必是空氣。在示例性 實施例中，凹凸透鏡46基本上以大約光源光軸48旋轉對稱，并且發 光體42也在光軸48上居中，盡管沒有必要在所有實施例都這樣。對 于光源40，光軸48與笛卡爾坐標系的z軸平行。
空氣間隙44和凹凸透鏡46的折射率ni和ti2分別不是常規意義上 的ni (具有大體上為1的值)從LED發光體42的相對高折射率顯著 降低，以及n2基本上比m高(即，至少高約80%)。因此，示例性實 施例中的iM/n2的比率小于0.6，且一般小于0.5。
在示例性實施例中，空氣間隙44被包含或密封在凹凸透鏡46的
10內表面46a和基底50之間的空間內，LED發光體42安裝在基底50上，
且透鏡46也沿其周邊附接。基底50可以是或包括基本平坦的陶瓷塊、會屋+ii^甘亡A;苦的i尤來:L龍日化mW為;K苴亡i/f生.仿ll加仝屬金蟲占.
銷以及其它常規結構。在一些情況下，光源40可以包括一個或多個把LED發光體連接到一個或多個金屬觸點或銷的引線鍵合52。
在示例性實施例中，凹凸透鏡46由相對的高折射率玻璃或其他適用光學材料構成。通常，該透鏡具有至少為1.8的折射率112，而在示例性實施例中為從1.9至2.1或約2。示例材料包括蘭寶石(折射率1.77)、LASFN9光學玻璃(折射率1.85)以及S-LAH79光學玻璃(折射率2.003)。可以以圖2所示的形狀鑄造或模制凹凸透鏡46，或制造成球形，然后經過加工以形成內表面46a和優選接觸基底50的周邊46c。
光學上，由于折射率差值和曲面形狀，內表面46a會聚來自發光體42的光，形成發光體的第一虛像VI1;而外表面46b還會聚光，形成第二虛像Vl2。第一虛像位于LED發光體42和第二虛像之間。參見圖3，LED發光體42、第一虛像VIi以及第二虛像Vl2的最大面內尺寸(即在平行于x-y平面的平面中測量的最大橫向尺寸)分別為標記的尺寸h、!^和h2的兩倍。因此，示例性實施例中的h2/h在3至4的范圍內。此
外，在示例性實施例中，最終虛像(Vl2)(其尺寸為2h2)的最大面內尺
寸接近外側透鏡46的最大面內尺寸。如果外表面46b可完全通過中心點為(:2、曲率半徑為112來表征，則該裝置2112接近2112，例如112《2h2《4R2。
表面46a和46b可以是球形或非球形，但為了經濟，它們在示例性實施例中基本上是球形，通過第一曲率半徑Ri和中心點Q (對于表面46a)和第二曲率半徑R2和中心點C2 (對于表面46b)來表征。如果封殼是對稱的，則中心點Q和C2位于光軸48上。其它在圖3中顯示的所關注的參數包括從LED發光體42的頂部或前表面至表面46a的頂點的軸距離標記為弛度1;從虛像VIi的頂部或前面至外表面46b
11的頂點的軸距離標記為弛度2;相對于LED發光體的頂部或前表面的引線鍵合52的最大高度標記為H1;LED發光體平面內表面46a的最大面由坐審麼^坐畝怒i^H * r,. t Rr>勞吝^k平面由四^裸锫46的夷而
46b的最大面內半寬度或半直徑標記為r2。要最小化光源40的總體尺寸或體積，可選擇r2約等于或僅略微大于n。
在很多情況下通過明智選擇例如Ri和弛度i來最小化空氣間隙44的體積也是可取的。然而，不是最小化空氣間隙44的體積，而是可以反過來選擇I^和弛度i，為了優化光源40的光學特性。例如，可以選擇Ri和弛度P以便最大程度地放大封殼43。
在一些情況下，還期望使光源光學系統中球差和/或彗差的量最小或至少控制這個量。通過在光軸48和LED發光體42的交叉點定位d可將表面46a制成消球差(即具有很少或沒有球差或彗差)，這樣，使Sag] 但這一般與最小化空氣間隙44的體積不相容，而且還降低
或消除表面46a的會聚力。因此，控制球差和彗差的更理想的方式可以是將外表面46b設計為消球差。對于同軸點，可通過將第一虛像VIj(用作外透鏡的"對象")和外表面46b的頂點之間的距離設置為以下值來完成此設計
Sag2 " R2*((n0 + n2)/n2) (1)
在n2約為2而n。為l (空氣)的情況下，這將減少為Sag2 " 1.5*R2 (2)
請注意上述最小體積以及消球差條件可以作為起點，由此可深入優化，例如使用常規光學設計軟件進行優化。例如，可以根據上述公式(l)設計外表面46b，然后進行優化以最小化虛像VI,邊緣上或邊緣附近的偏軸遠點的球差和/或彗差。本發明所公開的緊湊光源可用于多種光學系統中，圖4中顯示了
其中一種光學系統。在圖4中，準直光束子系統80包括上述光源40以及外部準直透鏡82和可選的反射型偏振器84。出于緊湊性考慮，將透鏡82繪制為分段或分區菲涅耳透鏡，但是如果需要也可使用任何傳統的塊狀光學透鏡或其它已知透鏡。為了準直，可以選擇透鏡82的焦距和聚焦定位，使得由凹凸透鏡46形成的最終虛像IM2設置透鏡82焦點的后面。注意，由于LED發光體42的伸展性質，透鏡82發射的"經過準直的"光線83將實際具有非零角散步。
準直光束子系統80也包括可選的反射型偏振器84。根據需要，偏振器可用于提供線性、圓形或橢圓形的偏振光。盡管吸收型偏振器也可用于此目的，但如果光源40中存在結構體或機構以將阻斷偏振態的至少一些轉化為垂直的"通過"態，特別是在"阻斷"偏振態為鏡面反射而不是吸收或散射的情況，反射型偏振器可以提供增加的效率。這稱之為"光循環腔"，并可利用多種不同技術來完成。
循環利用反射型偏振器的一個實例是如美國5,882,774 (Jonza等人)中描述的多層光學偏振膜，其中構成薄膜的交替的層沿著垂直于基本匹配的膜的方向具有折射率，即層之間的A&約為零，以使得用于p-偏振光的膜中的任何指定界面的反射率取決于入射角，為基本上恒定的。
利用圖4上半部中的光束81和光束83中的指向箭頭所指示，可以看到，入射到反射型偏振器84的準直光束83要么如果處于正確的偏振態(如偏振光束85)，如使用的反射型偏振器類型所示，傳輸到無論哪個被照明的顯示器或投影系統；要么如果處于非所需的偏振態，則被反射回準直透鏡82。這適用于由LED發光體生成的所有光81，即使圖4中用指向箭頭來表示的光束只示出一些。
13可通過利用任何所需的技術回收利用已反射回LED發光體42的光。例如，LED發光體42可以包括可以反射或再發射回收利用的光的熒光體涂層，回收利用的光然后可具有正確的偏振態以通過反射型偏振器84。
可將本文所述的光源與美國專利No. 5,882,774 (Jonza等人)中描述的準直透鏡和共擠出的多層反射型偏振器類型結合起來，具有涂敷到兩側偏振器的抗反射涂層，以增加偏振光輸出10%以上(相對于利用吸收型偏振器而不是反射型偏振器的相同系統)。制備共擠出的多層偏振膜的示例性方法在美國專利申請出版物US 2002/0180107 Al(Jackson等人)、US 2002/0190406 Al (Merrill等人)、US 2004/0099992Al (Merrill等人)以及US 2004/0099993 Al (Jackson等人)中公開。示例性反射型偏振器還包括可得自美國明尼蘇達州圣保羅市3M公司的VikuitiTM雙增亮薄膜(DBEF)。還可以想到使用膽甾型偏振器。如上所述，可以在偏振器的一個或兩個表面上使用抗反射涂層，以最小化由于菲涅耳表面反射而引起的損耗。作為另外一種選擇，可以將偏振器層合到另一個光學元件(例如透鏡或板)的光滑、優選為平坦的表面上，或者將它層合在兩個側面上，并夾在兩個該類光學元件之間。
圖5示出包括光源40的另一個準直光束子系統90。準直光束子系統90可以與圖4中示出的準直光束子系統80相同，但具有四分之一波片(QWP) 92。 QWP為光學延遲膜或元件，可在透射光中生成四分之一波長相移。這可用于將線性偏振光更改為圓偏振光(反之亦然)，以有助于光的循環。例如，LED發光體42可以包括反射涂層，使得首先由反射型偏振器84反射的一些光回射到透鏡46和透鏡82。 QWP92可以確保該回射光將具有正確的偏振態以通過反射型偏振器84。
如已經所公開的，LED光源的示例性實施例將LED發光體安裝凹凸透鏡的空氣填充腔體的內側。將LED發光體安裝到凹凸透鏡的中空腔體中的一個優點是可以包括能夠使用具有微結構化的提取器表面的LED晶粒。另一個優點是可以包括這樣的事實凹凸透鏡會形成一個優良的密封腔體將晶粒包裝起來，如當透鏡附連或結合到上面安裝
LED晶片的基底時。這在微結構化的提取器或類似裝置用于LED晶粒活動面的頂部時尤其有利，因為提取器可以對受污染的環境例如大氣中會降低光提取效率的灰塵、氣霧劑或腐蝕性氣體等高度敏感。如果用于LED晶粒上的線柵偏振器也對被污染的環境敏感，可以意識到類似的益處。
示例性實施例中'801專利申請所公開的構成凹凸透鏡的高折射率材料(如折射率至少為1.8，且一般為從約1.9至2.1，或約2的材料)仍然提供高放大倍率，減少朗伯曲線束的發散。相對于口 '801專利申請的化合物封殼透鏡，凹凸透鏡可單獨提供相同的靈活性以給照明成像器設計緊湊型繼電器光學元件。
'801專利申請的化合物封殼透鏡和本發明所公開的中空集合透鏡實施例之間的主要區別是后者的光學功率較低。參見圖4中所示的準直光束子系統，與'801專利申請的化合物封殼透鏡相比，為了保持外部準直透鏡82 (在示例性實施例中為菲涅耳透鏡以用于偏振循環利用的目的)之后的準直，該菲涅耳透鏡的光學功率應因此而提高。兩
個透鏡(fmen表示凹凸透鏡，而f^表示準直透鏡)的總功率l/ft。t可以近似如下
l/ftot (約)=(n/f證)+ (1/fcol) (3)
其中，n 1.5用于凝膠密封劑或l.O用于空氣。注意，由于LED發光體42的伸展性質，透鏡82發射的"經過準直的"光線將實際具有非零角散步。利用常規的光學設計軟件，可以對兩種設計，即'801專利申請的化合物封殼透鏡與本文所公開的中空腔體設計，進行精確的計算ft。t以獲得在兩種情況下透鏡之間的功率分配的更好了解。參考圖6所示的表。準直光束子系統在空氣中的焦距ft。t(2.92mm)比相同
15球半徑，即凹凸透鏡相同的外半徑的膠囊包封的焦距(2.36mm)長。
圖7A和圖7B中示出的總的照明系統具有上述準直光束子系統以及將光引到成像器第二透鏡組。由于照明系統為無定焦點(以允許偏
振循環利用和/或變形附件)，因此可選擇第二組透鏡的焦距ff。e以保持
未改變系統(空氣中mag=-4.7)的整體放大。參見圖7A-B，其中圖7A示出'801專利申請中照明系統化合物封殼透鏡的光學布局，而圖7B示出使用中空腔體凹凸透鏡(即此處其他系統的內側透鏡更換為空氣)的類似照明系統的光學布局。
注意一個可以略微降低凹凸透鏡的厚度以保留空氣中的消球差條件。也要注意，總體長度、體積和耦合效率性能類似于這兩種設計。
本發明所公開的緊湊光源也可用于投影系統，例如采用了硅基液晶(LCOS)面板或其它像素化面板的投影系統。同此提交于同一天的共同轉讓的名稱為"Optical Projection Subsystem"(光學投影子系統)(代理人案巻號63281US002)的美國專利申請中公開有示例性投影系統。
例如，圖8示出投影子系統200。投影子系統200用于從微型電子系統諸如手機、個人數字助理(PDA)、全球定位系統(GPS)接收器等投影靜止或視頻圖像。投影子系統200從其所嵌入的微型電子系統(圖8中未示出)接納電能和圖像數據。投影子系統200用于作為顯示計算機視頻所必須的微型投影儀的組成部分。投影子系統200用
于小到可以攜帶的系統，當不用時可裝入衣服口袋，諸如襯衫口袋。可將由投影子系統200投影的圖像投影到反光投影屏幕、經過油漆的淺色墻壁、白板或紙張或其他已知投影表面。投影子系統200可以被嵌入到便攜式計算機或手機中。
投影子系統200具有準直光束子系統202，該準直光束子系統可以是本發明所公開的實施例80、 90等的準直光束子系統。準直光束子系統202會形成光束204。光引擎包括集合透鏡206 (如以凹凸透鏡46 的形式)、準直儀208和固態發光器210。根據一個方面，集合透鏡 206具有超半球球形透鏡。
固態發光器210接收具有電平的電能212。固態發光體210熱耦合 至散熱器214。固態發光器提供具有發光體光通量水平的發光體光束。 根據一個方面，光束204包括非相干光。根據另一個方面，光束204 包括固態發光器210的部分聚焦圖像的照明。仍然根據另一個方面， 固態發光器210具有一個或多個發光二極管(LED)。根據另一個方面， 集合透鏡206具有半球形透鏡。根據另一個方面，準直儀208包括具 有第一菲涅耳透鏡的聚焦單元，第一菲涅耳透鏡具有用于接納第一非 準直光束的第一非小平面化側以及用于發射準直光束的第一非小平面 化側；而第二菲涅耳透鏡具有用于基本上直接接納準直光束的第二非 小平面化側和用于發射輸出光束的第二小平面化側。根據另一個方面， 可以如同此提交于同一天的名稱為"LED Mosaic"的美國專利申請(代 理人案巻號62370US006)中所示來布置固態發光器210。根據另一個 方面，可以如同此提交于同一天的名稱為"Integrating Light Source Module "(集成光源模塊)的美國專利申請(代理人案巻號 62382US008)中所示來布置準直光束子系統202。
投影子系統200具有折射主體220。折射主體220接收光束204。 折射主體220提供偏振光束222。折射主體220包括內部偏振濾波器 224。 一個偏振分量的光束204被內部偏振濾波器224反射以形成偏振 光束222。根據一個方面，根據美國專利公布US 2007/0023941 Al (Duncan等人)、美國專利公布US 2007/0024981 Al (Duncan等人)、 美國專利公布US 2007/0085973 Al (Duncan等人)和美國專利公布US 2007/0030456 (Duncan等人)的一個或多個方面形成或利用折射主體。
折射主體220具有第一外部透鏡表面226和第二外部透鏡表面 228。根據一個方面，外部透鏡表面226、外部透鏡表面228具有彎曲透鏡表面并具有非零屈光度。根據另一個方面，外部透鏡表面226、外
部透鏡表面228是平的。根據另一個方面，折射主體220在內部偏振
濾波器224的相對側上具有塑性樹脂材料主體230、 232。根據另一個
方面，內部偏振濾波器224具有多層光學薄膜。根據另一個方面，折
射主體220具有用作偏振光分束器以及透鏡的多功能光學元件。通過
將偏振光分束器和透鏡功能在多功能折射主體內結合起來，可避免不 然在單個分束器和透鏡之間的空氣界面出現的損耗。
投影子系統200包括圖像形成裝置236。圖像形成裝置236接納電 氣輸入總線238上的圖像數據。圖像形成裝置236接納偏振光束222。 圖像形成裝置236根據圖像數據選擇性地反射偏振光束222。圖像形成 裝置236提供具有相對于偏振光束222的偏振旋轉的偏振的圖像240。 圖像形成裝置236給折射主體220提供圖像240。圖像240通過內部偏 振濾波器224。根據一個方面，圖像形成裝置236具有硅上液晶(LCOS) 裝置。
投影子系統200具有投影透鏡組件250。投影透鏡組件250具有在 252、 254、 256、 258、 260處示意性地示出的多個透鏡。投影透鏡組件 250接納來自折射主體220的圖像240。投影透鏡組件250提供具有適 用于查看的投影光通量水平的圖像投影光束262。
除非另外指明，在說明書和權利要求中使用的表示部件的尺寸、 數量和物理特性的所有數字應當被理解為由詞語"約"來修飾。因此， 除非有相反的指示，在上述說明書和所附權利要求中所提出的數值參 數為近似值，可根據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。
在不偏離本發明范圍和精神的前提下，本發明的各種修改形式和 替代形式對于本領域的技術人員來說應是顯而易見的，應該理解的是， 本發明不限于本文所提供的示例性實施例。
18
權利要求
1.一種光源，包括LED發光體；和具有中空腔體的凹凸透鏡；其中所述LED發光體設置在所述腔體中。
2. 根據權利要求1所述的光源，
3. 根據權利要求2所述的光源， 發光體的幾乎沒有失真的虛像。
4. 根據權利要求2所述的光源， 為1.8的材料構成。其中所述凹凸透鏡為超半球形。 其中所述凹凸透鏡提供所述LED其中所述凹凸透鏡由折射率至少
5. 根據權利要求4所述的光源，其中所述折射率至少為1.9。
6. 根據權利要求2所述的光源，其中所述腔體填充有選自包括地 球大氣、惰性氣體或真空的組的介質。
7. 根據權利要求2所述的光源，還包括基底，所述基底上安裝有 所述LED發光體，并且其中所述凹凸透鏡結合到所述基底以使得所述 腔體密封起來。
8. 根據權利要求2所述的光源，其中所述LED發光體包括位于其 發射表面上的光提取結構。
9. 根據權利要求8所述的光源，其中所述光提取結構包括光子晶 體結構或線柵提取元件。
10. 根據權利要求1所述的光源，其中所述凹凸透鏡由折射率至 少為1.8的材料構成。
11. 根據權利要求IO所述的光源，其中所述折射率至少為1.9。
12. 根據權利要求1所述的光源，其中所述腔體填充有選自包括 地球大氣、惰性氣體或真空的組的介質。
13. 根據權利要求1所述的光源，還包括基底，所述基底上安裝 有所述LED發光體，并且其中所述凹凸透鏡結合到所述基底，以使得 所述腔體密封起來。
14. 根據權利要求1所述的光源，其中所述LED發光體包括位于 其發射表面上的光提取結構。
15. 根據權利要求14所述的光源，其中所述光提取結構包括光子 晶體結構或線柵提取元件。
16. 根據權利要求1所述的光源，還包括準直 透鏡，布置用于接收來自所述LED發光體并透過所述凹凸透 鏡的光；反射式偏振器，布置用于接收來自所述LED發光體并透過所述準 直透鏡的光，所述反射式偏振器由此傳輸具有第一極性的準直光，所 述反射式偏振器將具有第二極性的光反射回所述LED發光體以用于光 循環利用。
17. 根據權利要求16所述的光源，還包括設置在所述準直透鏡和 所述反射式偏振器之間的四分之一波片。
18. —種投影儀，包括提供光束的光引擎，所述光引擎包括LED發光體和具有中空腔體 的凹凸透鏡，其中所述LED發光體設置在所述腔體中；接收圖像數據和接收所述光束的至少一個分量的圖像形成裝置， 所述圖像形成裝置提供圖像；以及接收所述圖像和提供圖像投影束的投影透鏡組件。
全文摘要
一種光源，包括LED發光體和具有中空腔體的凹凸透鏡，其中所述LED發光體設置在中空腔體中。所述凹凸透鏡在示例性實施例超半球中，并且它生成所述LED發光體的高品質光學圖像。所述透鏡的所述腔體被填充空氣，例如地球大氣、惰性氣體或真空。
文檔編號H01L33/58GK101496186SQ200780028499
公開日2009年7月29日 申請日期2007年7月31日 優先權日2006年7月31日
發明者帕特里克·R·德斯藤, 斯蒂芬·J·威利特 申請人:3M創新有限公司