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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 LSD-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 an 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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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. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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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 vorzugsweise
aus einer Anordnung von LED-Lichtquellen für Rot, Grün und
Blau gebildet. Bei monochromen Anwendungen genügt es, einfarbige
LEDs zu verwenden. Die Kontaktierung kann je nach Chiptechnologie
ausschließlich von der Unterseite des Trägers
her erfolgen oder z. B. auch teilweise von der Unterseite eines
Siliziumträgers und teilweise von der Oberseite mittels
einer transparenten Glasplatte mit elektrisch leitender und optisch
transparenter Beschichtung wie z. B. ITO (Indium-Zinn-Oxid). 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 von Beispielen des LED-Projektors
anhand der beigefügten Figuren.
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Die 1 zeigt
eine Draufsicht auf ein LED-Array.
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Die 2 zeigt
eine Anordnung von Stacked-Epi-LEDs auf einem Träger in
einer perspektivischen Ansicht.
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Die 3 zeigt
eine schematisierte Ansicht gemäß 2 für
eine Ausführungsform mit Bonddrähten.
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Die 4 zeigt
die Unterseite einer Ausführungsform mit unterseitigen
Anschlusskontaktflächen.
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Die 5 zeigt
einen Träger mit Leiterbahnen für Zeilenadressierung
in einer perspektivischen Aufsicht.
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Die 6 zeigt
eine Glasfolie mit Leiterbahnen für Zeilenadressierung
und Spaltenadressierung in einer perspektivischen Aufsicht.
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Die 7 zeigt
eine Glasfolie mit Leiterbahnen für Spaltenadressierungen
in einer perspektivischen Untersicht.
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Die 8 zeigt
einen Querschnitt durch eine mehrlagige Anordnung von LED-Schichten
zwischen transparenten Zwischenschichten.
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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 ein Ausführungsbeispiel 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. In dem
in 1 dargestellten Beispiel 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 weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die für
die Lichterzeugung vorgesehenen Schichten der LEDs in jedem Bildpunkt 1 übereinander
als Schichtstapel angeordnet sind. Die betreffenden LEDs können
insbesondere Stacked-Epi-LEDs sein, 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
können zumindest teilweise oberseitig oder vollständig
innerhalb des Trägers 5 angeordnet werden.
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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
können an der Oberseite des Trägers 5 zwischen
dem Träger 5 und den LEDs 2 angeordnet sein
oder, insbesondere im Falle eines Trägers aus Silizium,
innerhalb des Trägers verlaufen. Es können auch
Leiterbahnen auf der von dem Träger 5 abgewandten
Oberseite der LEDs 2 angeordnet werden, wenn hierfür
ein transparentes und elektrisch leitfähiges Material,
z. B. ITO (Indium-Zinn-Oxid) verwendet wird.
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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
dieses Aufbaus 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 betref fenden 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 bevorzugten Ausführungsform, 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. Die
LED absorbiert auf diese Weise einfallendes Licht und erscheint dunkler
als eine nicht in Sperrrichtung betriebene LED.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008013030 [0003]
- - DE 102008014094 [0003]
- - DE 102008008599 [0003]
- - DE 102008006757 [0003]
- - DE 102007062042 [0003]