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Die folgende Erfindung betrifft ein Projektionssystem, dessen Bildgeber ein Array aus Leuchtdioden aufweist.
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Projektionssysteme werden zumeist unter Verwendung von Entladungslampen realisiert, die eine hohe Leistungsaufnahme und eine kurze Lebensdauer aufweisen. Es sind auch LED-Projektoren mit bedeutend längerer Lebensdauer und effizienterer Funktionsweise bekannt. Nachteilig bei den LED-Projektoren sind jedoch die geringere Lichtleistung aufgrund der hierbei verwendeten Lichtquellen und Verlusten im optischen System. In herkömmlichen Projektionssystemen wird das von der Lichtquelle ausgehende Licht gemischt, homogenisiert und mittels eines Farbrades in die Farben Rot, Grün und Blau aufgeteilt. Das Licht der einzelnen Farben wird auf das bildgebende Element projiziert. Typische Bildgeber sind eine Anordnung aus LCDs (liquid crystal displays), LCoS (Liquid Crystal on Silicon) oder DLP (Digital Light Processing) mit einer Anordnung kleiner umklappbarer Spiegel. Bei den auf Polarisation basierenden Systemen mit LCDs oder LCoS ist nur eine Polarisationsrichtung nutzbar. Bei den Systemen mit DLP werden die Bilder sequenziell überlagert, sodass jede Lichtquelle einer betreffenden Farbe nur mit Unterbrechungen eingeschaltet ist. Daher wird auch hierbei die Lichtleistung der Lichtquelle nicht voll ausgeschöpft.
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Die Druckschrift
DE 199 25 318 C1 betrifft einen Farbbildprojektor, der sich durch eine groß Auflösung (HDTV) bei hoher Leuchtdichte (Bildkontrast) und Farbbrillianz auszeichnet. Der Farbbildprojektor kann zur Vorführung von Videosequenzen bei Demonstrationsveranstaltungen, zur Darstellung bewegter Bilder bei Großveranstaltungen, aber auch im Heimkinobereich eingesetzt werden. Dazu werden großflächige Arrays aus zeilen- und spaltenweise organisierten LEDs in den drei Grundfarben eingesetzt, die über einen gemeinsamen Bildgenerator und eine Steuerschaltung derart angesteuert werden, dass der Bildaufbau aus nacheinander generierten Teilbildern in den drei Grundfarben erfolgt, wobei zum Zwecke der Erhöhung der Gesamthelligkeit des Bildes die Ansteuerung der zeilen- bzw. spaltenweise organisierten LED-Arrays dem zeilen- bzw. spaltenweisen Bildaufbau im Bildgenerator folgt.
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Die Druckschrift US 2005 / 0 122 487 A1 ist auf eine Konfiguration eines optischen Projektorsystems unter Verwendung einer oder mehrerer Lichtquellen gerichtet, wobei die Konfiguration eine flächige LED-Lichtquelle umfasst, die so ausgebildet ist, dass mehrere LED-Zellen in zwei Dimensionen angeordnet sind, und die eine Linsenanordnung umfasst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Projektionssystem mit hoher Lebensdauer und hoher Effizienz trotz geringer Bauhöhe anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit dem LED-Projektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Als Lichtquelle wird ein Array aus LED-Chips verwendet, die auf einem Träger montiert und verschaltet sind. Der Träger kann vorzugsweise Silizium sein, da in einem Siliziumträger sowohl Daten- als auch Leistungsleitungen realisiert werden können. Auch diverse Kontaktiermethoden von Silizium auf Leiterplatten sind bereits bekannt. Ein Pixel (Bildpunkt) wird bei Farbwiedergabe aus einer Anordnung von LED-Lichtquellen für Rot, Grün und Blau gebildet. Die Anzahl der Pixel und somit auch die Anzahl der LEDs wird durch die gewünschte Auflösung des Projektors bestimmt. Ein besonders hohes Auflösungsvermögen bei gleichzeitig geringen Abmessungen erreicht man mit Stacked-Epi-LEDs, bei denen die für die verschiedenen Farben vorgesehenen Schichten epitaktisch gewachsen übereinander angeordnet sind. Ein Pixel entspricht hierbei einem Schichtstapel einer einzelnen LED, sodass alle Farben eines jeweiligen Pixels von derselben Abstrahlfläche des betreffenden LED-Chips abgestrahlt werden.
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Es folgt eine genauere Beschreibung des LED-Projektors anhand der beigefügten Figuren.
- Die 1 zeigt eine Draufsicht auf eine nicht erfindungsgemäße Abwandlung eines LED-Array.
- Die 2 zeigt eine Anordnung von Stacked-Epi-LEDs auf einem Träger in einer perspektivischen Ansicht.
- Die 3 zeigt eine schematisierte Ansicht gemäß 2 für eine Ausführungsform mit Bonddrähten.
- Die 4 zeigt die Unterseite einer Ausführungsform mit unterseitigen Anschlusskontaktflächen.
- Die 5 zeigt einen Träger mit Leiterbahnen für Zeilenadressierung in einer perspektivischen Aufsicht einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung.
- Die 6 zeigt eine Glasfolie mit Leiterbahnen für Zeilenadressierung und Spaltenadressierung in einer perspektivischen Aufsicht einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung.
- Die 7 zeigt eine Glasfolie mit Leiterbahnen für Spaltenadressierungen in einer perspektivischen Untersicht einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung.
- Die 8 zeigt einen Querschnitt durch eine mehrlagige Anordnung von LED-Schichten zwischen transparenten Zwischenschichten einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung.
- Die 9 zeigt eine Anordnung von LED-Chips einer Ausführungsform gemäß 8 in einer Draufsicht.
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Abwandlung mit einer rasterartigen Anordnung aus Bildpunkten 1, von denen jeder eine Abstrahlfläche aufweist, in der jeweils mehrere LEDs nebeneinander angeordnet sind, in diesem Beispiel jeweils vier LEDs 2. Jede LED 2 kann auf einem eigenen Chip angeordnet sein. Für beliebige Farbmischungen genügen LEDs für rotes, grünes und blaues Licht. Gemäß 1 sind in jedem Bildpunkt vier im Quadrat angeordnete LEDs vorhanden, von denen zwei für grünes Licht vorgesehen sind. Der LED-Projektor kann an unterschiedliche Anwendungen, zum Beispiel für einfarbige Bilder oder für mehrfarbige Bilder, mit geeignet ausgewählten LEDs in den Bildpunkten angepasst werden. Eine Adressierung eines Bildpunktes zum Betrieb der darin angeordneten LED oder LEDs erfolgt durch die elektrische Ansteuerung eines zugehörigen Kreuzungspunktes einer Leiterbahn aus einer Mehrzahl von Leiterbahnen für Zeilenadressierung und einer Leiterbahn aus einer Mehrzahl von Leiterbahnen für Spaltenadressierung. In der 1 sind für einen Kreuzungspunkt eine Leiterbahn 3 für Zeilenadressierung und eine Leiterbahn 4 für Spaltenadressierung mit gestrichelten Linien schematisch angedeutet. Die Anordnung der Leiterbahnen und die damit vorgesehene Kontaktierung der Licht erzeugenden Schichten ist nicht grundsätzlich festgelegt, sondern kann je nach Technologie unterschiedlich ausgestaltet werden.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die für die Lichterzeugung vorgesehenen Schichten der LEDs in jedem Bildpunkt 1 übereinander als Schichtstapel angeordnet sind. Die betreffenden LEDs sind Stacked-Epi-LEDs, bei denen die für die Lichterzeugung vorgesehenen Schichten epitaktisch übereinander aufgewachsen sind und einen Stapel (stack) bilden. Auf einem Träger 5 befindet sich ein Array aus Schichtstapeln 6, d. h., eine Mehrzahl von in einem Raster angeordneten Schichtstapeln 6, die jeweils einen Bildpunkt 1 bilden. Die Anordnung mit Stacked-Epi-LEDs hat den besonderen Vorteil, dass die lateralen Abmessungen gering gehalten werden können und somit ein hohes Auflösungsvermögen des Projektors erreicht wird. Für jede Farbe wird dieselbe Abstrahlfläche verwendet, die durch die Oberseite des jeweiligen Schichtstapels 6 gebildet wird. Auch hierfür kommen verschiedene Kontaktierungsverfahren in Frage; die elektrischen Anschlüsse und Adressierungsleiterbahnen sind zumindest teilweise oberseitig bzw. vollständig innerhalb des Trägers 5 angeordnet.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der LEDs 2 auf der Oberseite eines Trägers 5 in einem Raster aus Bildpunkten angeordnet sind, wobei in der schematischen Darstellung der 3 offen gelassen ist, ob es sich um Schichtstapel oder um nebeneinander angeordnete einfarbige LEDs handelt. Für den elektrischen Anschluss nach außen sind an den Rändern des Trägers 5 Bonddrähte 7 vorhanden, die mit zugehörigen, sich überkreuzenden Leiterbahnen für die Zeilenadressierung und die Spaltenadressierung der LEDs des Arrays verbunden sind. Die Leiterbahnen sind in der 3 nicht eingezeichnet, da sie durch das Array aus LEDs überdeckt oder innerhalb des Trägers 5 angeordnet sind; die Leiterbahnen verlaufen, insbesondere im Falle eines Trägers aus Silizium, innerhalb des Trägers.
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Die 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der auf der Rückseite des Trägers 5 Rückseitenkontakte 8 für den elektrischen Anschluss vorgesehen sind. Falls auf der Vorderseite transparente Leiterbahnen für den elektrischen Anschluss vorhanden sind, genügt jeweils ein Rückseitenkontakt 8 für jede LED; es ist aber auch möglich, die gesamte elektrische Kontaktierung auf der Rückseite des Trägers 5 vorzusehen und hierfür jeweils zwei oder mehrere Rückseitenkontakte 8 für jeden Bildpunkt bzw. für jede LED oder LED-Schicht anzuordnen.
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Ein derartiger Projektor lässt sich auch aufbauen, indem substratlose teiltransparente Chips mit LEDs auf Glasfolien übereinander angeordnet werden. Die Stromzuführung in die für die verschiedenen Farben vorgesehenen Schichtebenen erfolgt vorzugsweise mittels Metallkontakten, die mit Leiterbahnen, z. B. aus ITO, kombiniert sind. Jeder Bildpunkt befindet sich im Kreuzungspunkt einer Spalte und einer Zeile der Anordnung, längs der jeweils durchsichtige Leiterbahnen verlaufen, die auf den Glasfolien des Stapels angeordnet oder in die Glasfolien eingebettet sind. Zur Erläuterung dieser Abwandlung zeigt die 5 in einer perspektivischen Aufsicht einen Träger 5, auf dem Leiterbahnen 3 für die Zeilenadressierung aufgebracht sind. Auf diesen Leiterbahnen werden die jeweiligen LED-Chips angeordnet, und die betreffende Anschlusskontaktfläche jedes LED-Chips wird mit der zugehörigen Leiterbahn 3 elektrisch leitend verbunden.
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Über den LED-Chips auf den Leiterbahnen des Trägers 5 wird eine Glasfolie gemäß 6 angeordnet, die unterseitig mit Leiterbahnen 4 für die Spaltenadressierung und oberseitig mit weiteren Leiterbahnen 3 für die Zeilenadressierung versehen ist. Die Glasfolie 9, die in der 6 in einer der 5 entsprechenden perspektivischen Ansicht dargestellt ist, wird über dem Array von LED-Chips auf dem Träger 5 angeordnet, wobei die in den 5 und 6 nach unten weisenden gestrichelten Pfeile auf Punkte gerichtet sind, die hierbei vertikal übereinander zu liegen kommen. Anhand dieser Pfeile lässt sich somit die relative Ausrichtung der verschiedenen Ebenen der Anordnung erkennen. Die unterseitigen Leiterbahnen 4 für die Spaltenadressierung werden mit den betreffenden Anschlusskontaktflächen der LED-Chips auf dem Träger 5 elektrisch leitend verbunden. Auf den gemäß 6 auf der Glasfolie 9 oberseitig vorhandenen weiteren Leiterbahnen 3 für Zeilenadressierung werden weitere LED-Chips angeordnet, die zum Beispiel mit LEDs für eine weitere abzustrahlende Farbe versehen sind. Falls noch eine dritte Farbe vorgesehen werden soll, kann eine weitere Glasfolie 9 gemäß 6 oberseitig aufgebracht werden, deren oberseitige Leiterbahnen wieder mit einer weiteren Anordnung von LED-Chips versehen wird.
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Die 7 zeigt in einer perspektivischen Untersicht eine weitere Glasfolie 9, die in dem Stapel zuoberst angeordnet wird, und zwar so, dass die mit den nach unten weisenden gestrichelten Pfeilen in der 7 markierten Punkte vertikal über den in der 6 mit ebensolchen Pfeilen markierten Punkten zu liegen kommen, die Punkte also längs der Pfeile fluchten. Aufgrund der Anordnung der Leiterbahnen 4 für die Spaltenadressierung in der quer zu den Leiterbahnen 3 für die Zeilenadressierung verlaufenden Richtung ist es möglich, durch Auswahl jeweils einer Leiterbahn 3 für die Zeilenadressierung und einer Leiterbahn 4 für die Spaltenadressierung eine elektrische Spannung an genau einen LED-Chip anzulegen und dadurch eine Lichtabstrahlung der betreffenden LED zu bewirken, während die nicht adressierten LEDs dunkel bleiben. Durch die zeilenweise und spaltenweise Adressierung der verschiedenen Lagen können so in jedem Bildpunkt die gewünschten Farbmischungen erzeugt werden.
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Die 8 zeigt einen Querschnitt einer Abwandlung, bei der die elektrische Verbindung zwischen den Anschlusskontakten der LEDs und den Leiterbahnen jeweils über Metallrahmenkontakte 10 erfolgt. In dem Querschnitt der 8 sind mehrere Lagen von Arrays von LED-Chips 14 dargestellt. Auf dem Träger 5 befindet sich eine erste LED-Schicht 11 für eine erste Farbe. Darauf befindet sich eine Glasfolie 9, auf der eine zweite LED-Schicht 12 für eine zweite Farbe angeordnet ist. Auf einer weiteren Glasfolie 9 ist eine dritte LED-Schicht 13 für eine dritte Farbe angeordnet. Diese oberste dritte LED-Schicht 13 wird oberseitig mit einer Glasfolie 9 abgedeckt. Zwischen den Glasfolien und den LED-Chips befinden sich dünne Leiterbahnen, die zum Beispiel entsprechend den Darstellungen in den 5, 6 und 7 ausgestaltet sein können und wegen ihrer geringen Dicke in der 8 nicht eingezeichnet sind. Zwischen diesen Leiterbahnen und den elektrischen Anschlüssen der LEDs sind jeweils Metallrahmenkontakte 10 vorgesehen. In der Längsrichtung der Leiterbahnen sind vorzugsweise metallische Verbindungen zwischen den Metallrahmenkontakten 10 vorhanden, die beispielsweise durch dünne Metallstreifen 16 gebildet sein können. In dem Querschnitt der 8 sind die in der Zeichenebene verlaufenden Leiterbahnen 3 (Zeilenadressierung) jeweils auf der dem Träger 5 zugewandten Unterseite der betreffenden LED-Schicht 11, 12, 13 vorhanden, während die quer dazu senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Leiterbahnen 4 (Spaltenadressierung) jeweils auf der von dem Träger 5 abgewandten Oberseite der betreffenden LED-Schicht 11, 12, 13 vorhanden sind. Die Leiterbahnen 3, 4 sind über die Metallrahmenkontakte 10 mit den Anschlusskontakten der LEDs verbunden. Die Metallrahmenkontakte 10 können längs der Leiterbahnen 3, 4 mittels Metallstreifen 16 untereinander verbunden sein. Die längs der Leiterbahnen verlaufenden Metallstreifen 16 sind in dem Querschnitt der 8 nur bei den in der Zeichenebene verlaufenden unteren Leiterbahnen 3 erkennbar. Entsprechende Metallstreifen können jedoch auch für die auf den jeweiligen Oberseiten der LED-Chips angeordneten oberen Leiterbahnen 4 vorgesehen sein und verlaufen zwischen den oberen Metallrahmenkontakten 10 parallel zu den oberen Leiterbahnen 4 senkrecht zur Zeichenebene. Die Metallrahmenkontakte 10 an den Oberseiten der LED-Chips sind daher in der Ebene des Querschnitts der 8 voneinander getrennt.
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Die LED-Schichten 11, 12, 13 können z. B. für rotes, grünes und blaues Licht vorgesehen sein. Es ist statt dessen auch möglich, zum Beispiel zum Zweck einer besseren Farbmischung mindestens eine weitere LED-Schicht einer geeigneten Farbe oder zum Zweck einer einfarbigen Wiedergabe nur eine einzige LED-Schicht vorzusehen. Die Reihenfolge der Anordnung der Farben in dem Stapel aus LED-Schichten und Glasfolien ist grundsätzlich beliebig.
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Die in der 8 markierte Schnittansicht ist in 9 dargestellt. In der 9 ist erkennbar, wie die Metallrahmenkontakte 10 an den LED-Chips 14 angeordnet sind, die durch schmale Zwischenräume 15 voneinander getrennt sind. In der Aufsicht der 9 verlaufen die Leiterbahnen 4 für die Spaltenadressierung von oben nach unten. Sie sind über die Metallrahmenkontakte 10 an die LED-Chips 14 angeschlossen. Längs der Leiterbahnen 4 sind die Metallrahmenkontakte 10 miteinander durch Metallstreifen 16 verbunden. Die an den Unterseiten der LED-Chips 14 vorhandenen Leiterbahnen 3 für die Zeilenadressierung sind von den LED-Chips verdeckt. Die unteren Metallstreifen 16 sind in 9 mit gestrichelten Linien eingezeichnet, die in derselben Richtung wie die Leiterbahnen 3 für die Zeilenadressierung verlaufen.
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Ein Projektor, dessen Bildpunkte jeweils durch LEDs gebildet werden, ermöglicht zudem eine Verbesserung des Kontrastes eines erzeugten Bildes, indem die innerhalb des erzeugten Bildes dunkel bleibenden LEDs als Fotodetektoren geschaltet werden. Das geschieht durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung an den pn-Übergang der das Licht erzeugenden Schicht der betreffenden LED. In dieser Betriebsart werden die durch das einfallende Licht erzeugten Elektron-Loch-Paare elektrisch voneinander getrennt und liefern einen Fotostrom.
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Die LED absorbiert auf diese Weise einfallendes Licht und erscheint dunkler als eine nicht in Sperrrichtung betriebene LED.
